Induktives Wellenkraftwerk

Interdisziplinäre Projektarbeit zweier Auszubildender
Autor: Sebastian Lochmann und Jan Weibel, www.wavepower.ch, Oberkulm, Schweiz
Wir, Sebastian Lochmann (Polymechaniker) und Jan Weibel (Konstrukteur), haben an der Berufsmaturitätsschule im Rahmen unserer interdisziplinären Projektarbeit (IDPA) das Thema Wellenkraft in Angriff genommen. Dabei haben wir ein eigenes Modell eines Wellenkraftwerks geplant und gebaut. Wir veröffentlichen hier einen stark gekürzten Bericht unserer Projektarbeit.
Wellenkraftwerke sind eine Spezialform von Wasserkraftwerken. Sie nutzen die Energie der Meereswellen zur Gewinnung elektrischen Stromes und zählen so zu den erneuerbaren Energien. Wir haben uns zum Ziel gesetzt, mit Hilfe eines Modells zu veranschaulichen, dass Wellenkraft noch viel ungenutztes Potenzial zur Energiegewinnung hat. Die kinetische Energie der Auf- und Abwärtsbewegungen der Wellen wollen wir mittels elektromagnetischer Induktion in elektrische Energie umwandeln. Unser Ziel ist es, dies mit einfachen Mitteln umzusetzen, welche die Umwelt nicht durch Schadstoffe belasten.

Wir haben uns am Wellenkraftwerk von SINN Power orientiert, wollten aber keinen Drehgenerator zur Energieumwandlung verwenden. Wir entschieden uns für die Verwendung eines Lineargenerators, bestehend aus Magneten und Spulen. Diesen konnten wir selbst relativ einfach und günstig herstellen und direkt auf die Proportionen unseres Modells anpassen.
Der Lineargenerator funktioniert im Wesentlichen wie folgt: Wird ein Leiter senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Magnetfeldes bewegt, erfahren die im Leiter mitbewegten Ladungen eine Lorentzkraft. Als Folge davon werden die beweglichen Elektronen verschoben, es kommt längs des Leiters zu einer Verschiebung der Ladungsschwerpunkte – es fliesst Strom. Dieses Prinzip der Induktion wollen wir uns zunutze machen. Spannung wird nämlich in einem Leiter, in unserem Fall einer Spule, induziert, wenn es einen Wechsel der magnetischen Flussdichte gibt. Wenn man nun einen Magneten durch die Spule bewegt, werden durch das Magnetfeld des Magneten die Elektronen im Kupferdraht der Spule in eine bestimmte Richtung verschoben.
Da im Meer oder auf einem See hohe Wellen vorkommen und die durchschnittliche Wasserhöhe variiert, muss unser Lineargenerator einen langen Hub haben. Ebenfalls soll er sowohl bei grossen als auch bei kleinen Wellen gleichmässig Spannung induzieren. Letzteres haben wir durch das Aneinanderreihen von mehreren Magneten erreicht, die sich in einer beweglichen Magnetkonfiguration befinden. Wichtig für die Länge der Spule und der Magnete ist zudem, dass nie zwei gleiche Magnetpole zur selben Zeit in der Spule sind, da ansonsten keine Spannung induziert wird. Deshalb muss die Spule zwingend kürzer sein als ein Magnet(paar).
Bei der Realisation unseres Wellenkraftwerk-Modells spielte die Berechnung mittels Excel eine zentrale Rolle, da nahezu alle Komponenten des Wellenkraftwerks zusammenspielen. Es galt den nötigen Auftrieb des Schwimmers, das notwendige Gewicht aller durch den Schwimmer getragenen Komponenten und die Spulengrösse so auszulegen, dass damit ein bestimmter Verbrauch angetrieben werden kann. Aus platzgründen wird hier nicht auf die Berechnungen eingegangen. Unser Ziel war es, dass der Schwimmer von einer Welle angehoben wird, sich dadurch die Magnete durch die Spule bewegen und den Verbraucher mit ausreichend Energie versorgen. Danach soll sich der Schwimmer und alle direkt daran befestigten Komponenten wieder senken und der Verbraucher erneut mit Energie versorgt werden. Das fertige Modell sah letztendlich so aus (siehe Baugruppenzeichnung unten):
Baugruppenzeichnung des induktiven Wellenkraftwerkes
Baugruppenzeichnung des induktiven Wellenkraftwerkes
Der erste Prototyp wies noch einige Engpässe auf, die dann für das hier im Bild sichtbare Endprodukt beseitigt werden konnten. Wir haben die Konstruktion zusätzlich um einen Brückengleichrichter (aus Schottky-Dioden, für die LEDs) und eine Powerbank ergänzt. Für das finale Modell haben wir uns nämlich das Ziel gesetzt, mit dem erzeugten Strom eine Powerbank betreiben zu können. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die Dimensionen des Schwimmers dem errechneten Strom angepasst.
Das finale Modell unseres Wellenkraftwerks haben wir in einem See getestet. Leider hatte es zu diesem Zeitpunkt keine Wellen – was in Binnengewässern generell häufig der Fall ist. Wie beabsichtigt, ist der Schwimmer aber etwa zur Hälfte im Wasser (siehe Bild - rechte Seite). Zudem funktionieren auch die LEDs einwandfrei, wenn man den Schwimmer von Hand bewegt (siehe Bild - linke Seite).
Weitere Informationen zu unserem Projekt finden sich unter www.wavepower.ch. Auf Anfrage bauen und verkaufen wir unser Wellenkraftwerk-Modell in der gewünschten Grösse. Bei Interesse können Sie uns eine Nachricht an [email protected] senden.
So sah der erste Prototyp unseres Wellenkraftwerks im Einsatz aus:

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