DE2828491C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung der Energie einer langsamen natürlichen Strömung in elektrische Energie ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dazu wird eine Vorrichtung zur Erzeugung nutzbringender elektrischer Energie aus großen Strömungsmengen angewandt, die mit relativ geringer Geschwindigkeit fließen, beispielsweise aus Meeresströmungen. Die Erfindung bezieht sich auf solche geringen Strömungen großer Mengen, die von Wasser verursacht werden, das hinter Wehren aufgestaut ist.

Das Problem bei Meeresströmungen liegt darin, daß obgleich unermeßliche Wassermengen in Bewegung versetzt werden, die nutzbaren Geschwindigkeiten der Bewegung zu gering sind. Zumeist liegen sie in der Größenordnung von fünf und nur selten von zehn Knoten. Ozeanströmungen sind deswegen zu langsam, um herkömmliche Turbinen zur Erzeugung von Elektrizität direkt zu betreiben. Außerdem sind die verfügbaren Fallhöhen des Wassers für die Turbinen zu gering. Folglich sind die Wasserströmungsgeschwindigkeiten, außerordentlich gering im Vergleich zu den Strömungsgeschwindigkeiten, wie sie in den wirtschaftlich arbeitenden Wasserkraftwerken in der Praxis liegen.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Wasserströmung mit hoher Geschwindigkeit verfügbar zu machen, die ausreicht, einen elektrischen Generator bei relativ hohen Drehzahlen zu betreiben. Hierbei soll jedoch diese Fließgeschwindigkeit von einer Strömung mit niedriger Geschwindig­ keit abgeleitet werden.

Auf diesem Gebiet ergibt sich der nächstgelegene Stand der Technik aus der DE-OS 27 13 555, hierbei insbesondere aus der Figur 2 dieser Entgegenhaltung. Aus dieser Entgegenhaltung ist es bereits bekannt, eine langsame natürliche Strömung mittels des Einsatzes von Turbinen und Pumpen sowie einer Rohrverengung zu beschleunigen, so daß sie von einer Arbeitsturbine, die mit einem Generator gekoppelt ist, verwendet werden kann. Entsprechend dieser Entgegenhaltung sollten aber dabei Pumpen Verwendung finden, die entweder von Fremdenergie von von der nachher vom Generator erzeugten Energie angetrieben werden. Dies erlaubt weitgehende Zweifel, ob damit jemals mehr Energie gewonnen werden kann, als für den Antrieb der Pumpen aufgewendet werden muß. Hierbei ist insbesondere der Energieverlust bei der zweifachen Umwandlung von mechanischer in elektrischer und elektrischer in mechanischer Energie zu berücksichtigen. Außerdem sind für den Antrieb der Pumpen wieder teuere Elektromotoren erforderlich.

Somit ist es Aufgabe der Erfindung, die geringe kinetische Energie einer natürlichen Strömung zu konzentrieren, daß eine wirtschaftliche Nutzung mit Arbeitsturbinen möglich wird.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des vorstehenden Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Arbeitsflüssigkeit kann sich dabei in einem geschlossenen System befinden, oder es kann ein offenes System verwendet werden, in welchem die natürliche Flüssigkeit, beispielsweise See-(Meer-) oder Flußwasser zugleich die Arbeitsflüssigkeit ist. In jedem Fall wird die geringe Strömungsgeschwindigkeit der natürlichen Flüssigkeit, beispielsweise Meer- oder Flußwasser, zum Pumpen von relativ kleinen Mengen eines Arbeitsmediums in einem Rohrsystem benutzt, welches zu einer Verengung führt, wo sich eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit einstellt und wobei diese hohe Geschwindigkeit zum Antrieb einer Turbine, eines Peltonrades oder anderen Vorrichtungen zum Antrieb eines Generators zum Zwecke der Erzeugung von Elektrizität dient.

Es liegt auf der Hand, daß, wenn der Wasserströmung Energie entzogen wird, nur ein Teil der gesamten vorhandenen Energie entzogen werden kann. Andernfalls würde die Strömung aufhören.

Deshalb ist es nicht nötig, da beispielsweise die Gezeitenströmung so unermeßlich ist und die zu entziehende Energiemenge nur ein kleiner Teil davon ist, daß der Wirkungsgrad der vorliegenden Vorrichtung hoch ist. Folglich ist die Konstruktion der Ausrüstung auf der Seite mit dem niedrigen Druck nicht kritisch und kann leichtgewichtig gemacht werden.

Sie kann aus verschiedenen Materialien mit großen Toleranzen hergestellt werden und erfordert keine spezielle Qualifikationen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektri­ scher Energie aus der Gezeitenströmung,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Abänderung der Vorrichtung aus den Fig. 1 und 2.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Energie aus einer langsamen, natürlichen Strömung dargestellt. Die Vorrichtung weist zwei mit Wasser gefüllte Leitungen 1 und 2 auf, die sozusagen einen Sekundärkreis bilden und die auf Pfeilern 3 über dem Grund des sich bewegenden Wassers ruhen. Es wird zwar nicht ausgeschlossen, daß die Vorrichtung auch unmittelbar auf dem Meeresboden angeordnet werden könnte, doch es erscheint sinnvoller, die Anordnung auf Pfeilern aufzusetzen und fest gegen Bewegungen des Meeresbodens zu verankern, und die Anordnung selbst etwas über den Meeresboden zu erheben. Außerdem ist es auf diese Art weniger wahrscheinlich, daß die Vorrichtung durch auf dem Meeresboden mitbewegte Steine zerstört oder durch Sand verstopft werden kann, der durch den Gezeitenfluß bewegt wird.

Die Leitungen 1 und 2 sind an ihren in der Darstellung der Fig. 1 linken Enden abgedichtet und sind durch mehrere Querkammern 4 miteinander verbunden, in der jeweils eine Pumpe 5 in der Art einer Archimedischen Schraube angeordnet ist, die auf einer horizontalen Welle 6 sitzt. Nachfolgend wird nur eine der Kammern 4 im Detail beschrieben. Es ist zu erkennen, daß die Antriebsvorrichtung das Wasser entweder von Leitung 1 zur Leitung 2 oder von Leitung 2 zur Leitung 1 fördern wird. Dies hängt von der Drehrichtung ab. Die Welle 6 erstreckt sich über die Kammer 4 hinaus und bis in eine für niedrige Drehzahlen ausgelegte erste Turbine 7, welche aus einer Anzahl von Drehflügeln besteht, die gemeinsam auf der Welle 6 befestigt sind. Die Drehflügel können von einem Strömungsrohr 8 umgeben werden. Der vom dicken Pfeil 9 markierte Gezeitenfluß treibt die Turbine 7 zum Drehen in die eine oder andere Richtung an. Dadurch fördert die Pumpe 5 Wasser von einer Leitung zur anderen (von 1 zu 2 oder von 2 zu 1).

Die Leitungen 1 und 2 führen zu einem Hosenstück oder Verbindungsrohr 10, in welchem sich ein Strömungsableitungsventil 11 befindet, das verhindern soll, daß Wasser, das durch eine Leitung 1 oder 2 fließt, in das andere Rohr überläuft. Das Rohr 10 führt zu einer Verengung 12, wo die Strömung des Wassers zunimmt, so daß das Wasser mit höherer Geschwindigkeit in eine Arbeitsturbine 14 hineinfließt. Diese Arbeitsturbine kann einen Generator 15 antreiben. Eine Auslaßleitung 16 aus der Arbeitsturbine 15 führt zu zwei Rücklaufleitungen 17 und 18, von denen die Leitung 17 zur Leitung 1 zurückführt und die Leitung 18 zur Leitung 2. Die Einlässe zu den Leitungen 17 und 18 werden von Ventilen 19 bzw. 20 gesteuert.

Zum Betrieb der oben beschriebenen Vorrichtung sei angenommen, daß die Strömung in die Richtung der dem Pfeil 9 benachbarten kleinen Pfeile in Fig. 1 verläuft und daß diese Strömung die Turbine 7 antreibt. Die Pumpe 5 pumpt dann Wasser von Leitung 1 zur Leitung 2. Die Ventile 11 und 20 befinden sich in der in Fig. 1 eingezeichneten Stellung. Das Ventil 20 verhindert eine Rückströmung durch die Rücklaufstellung 18. Das von allen Pumpen 5 in allen Kammern 4 beschleunigte Wasser fließt so vom Rohr 2 durch die Verengung 12, um die Arbeitsturbine 14 und den Generator 15 anzutreiben und kehrt über die Rücklaufleitung 17 zur Leitung 1 zurück. Wenn sich die Richtung der Strömung ändert, wird die Drehrichtung der Turbine 7 umgekehrt und die Ventile 11, 19 und 20 werden umgeschaltet. Nun wird Wasser von Leitung 2 zur Leitung 1 bewegt, fließt zur Verengung 12 und über die Leitung 18 zur Leitung 2 zurück.

Wie zuvor schon erwähnt, gibt es mehrere Querkammern 4, von denen jede mit einer Turbine 7 mit niedriger Geschwindigkeit und Pumpe 5 verbunden ist. Für jedes besondere Leitungssystem wird eine mögliche Höchstanzahl von Kammern 4 gewählt. Nach Wunsch kann das System aus Leitungen 1 und 2 und Querkammern 4 vervielfältigt und so angeordnet werden, daß alle in das Verbindungsrohr 10 führen, so daß nur ein Generator 15 für mehrere Leitungssysteme benötigt werden würde.

Die auf die Pumpen 5, die Turbinen 7 und die Leitungen 1 und 2, welche eine verhältnismäßig große lichte Weite haben, wirkende Drücke, sind verhältnismäßig gering. Folglich ist der Aufbau dieser Einrichtung nicht kritisch und sie können in leichter Ausführung aus rohen Materialien, mit einem Minimum an Toleranzanforderungen bei niedrigen Kosten hergestellt werden. Selbst wenn einige der Pumpen 5 und der Turbinen 7 Schaden nehmen würden, würde die Vorrichtung noch zufriedenstellend weiterarbeiten, wenn auch mit niedrigerem Wirkungsgrad, vorausgesetzt, daß die Leitungen 1 und 2 abgedichtet bleiben.

Die schraubenartige Pumpe 5 kann aus ganz dünnwandigem Material herge­ stellt werden und ist vorzugsweise mit einem friktionsfreien Mantel ausgestattet, der für eine gute Abdichtung auf der Innenfläche der Kammer 4 sorgt.

In Abänderung könnten die Pumpen 5 in einem Rohr angebracht werden, wobei die Kante der Archimedischen Schraube an der Innenfläche des Rohrs abgedichtet würde. Eine solche Schraube würde noch Flüssigkeit vorwärts treiben, wenn sie sich in einer Flüssigkeit dreht. Das Problem der Abdichtung ist gering, da die Abdichtung nur ein kreisförmiger Ring zu sein braucht und keine Spirale, wobei sich der kreisförmige Ring zwischen der Außenseite des Rohrs und der Innenseite der Kammer 4 befindet.

Anstelle einer Pumpe mit Archimedischer Schraube wäre es möglich, eine Anzahl von ventilatorfächerförmigen Flügelrädern zu verwenden, die in ein Rohr mit einer ringförmigen Abdichtung zwischen der Außenseite des Fächerrohrs und der Innenseite der Kammer 4 eingepaßt sind. Jedoch wird angenommen, daß die ventilatorförmige Pumpe nicht so wirksam ist, wie die Archimedische Schraube. Das Steigmaß und der Druckmesser der Archimedi­ schen Schraube lassen sich im Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit und dem Durchmesser der Drehflügel 7 gut anpassen.

Wenn die Leitungen 1 und 2 lang genug sind und genügend Querkammern 4 vorhanden sind, ist es möglich, eine Generatoranordnung an jedem Ende der Leitungen vorzusehen und die Leitungen 1 und 2, die in Fig. 1 (am linken Ende) abgedichtet dargestellt sind, könnten symmetrisch zu einem weiteren System von Verbindungsleitungen, Verengung, Pumpenkammer und Rück­ laufleitungen geführt werden.

Die Vorrichtung kann in ihrem geschlossenen System ständig eine Füllung, das heißt auf Dauer dasselbe Wasser im Leitungssystem benutzen, man könnte, um die Korrosion herabzusetzen, das Leitungssystem mit Frisch­ wasser oder jeder anderen geeigneten Flüssigkeit füllen. Im Innern des Systems braucht also nicht Meereswasser benutzt zu werden, wenn die Vorrichtung im Meer installiert wird.

Vor dem Einbau läßt sich die Vorrichtung an Land montieren. Mit Luft gefüllt, wäre die schwimmfähig und könnte so zum Einsatzort transportiert werden. An Ort und Stelle würde sie mit dem Innensystem geflutet und damit untergetaucht werden. Das Einfließenlassen von frischem Wasser kann aus Tanks aus einem Hilfsschiff erfolgen und aus der Vorrichtung würde zugleich die Luft entweichen.

Selbst bei Beschädigung eines Teiles der Vorrichtung könnte sie in den meisten Fällen noch mit einem geringeren Wirkungsgrad weiterarbeiten.

In vielen Fällen lassen sich in tiefem Wasser mehrere Einheiten über­ einander anordnen. Gleich welche Teile oder sonstigen örtlichen Be­ dingungen angetroffen werden, lassen sich immer Hilfsmittel an der Vorrichtung anbringen, um die Strömungsgeschwindigkeit durch die Vorrichtung hindurch durch Reduzieren des Bereiches für das ankommende Wasser zu vergrößern und damit die Strömungsgeschwindigkeit durch die verfügbaren Öffnungen zu verstärken.

Die vorliegende Vorrichtung kann immer dasselbe Wasser im Rohrsystem verwenden, so daß es zur Herabsetzung der Korrosion möglich ist, die Rohre mit Frischwasser oder mit jeder anderen Flüssigkeit als Meeres­ wasser zu füllen. Dennoch kann auch mit Meereswasser im inneren System der Vorrichtung gearbeitet werden. Diese Vorrichtung würde in einem "Schwimmkörper" eingebaut und dann zu einem Ort abgeschleppt werden, wo genügend Strömungsfluß vorhanden wäre. Das kann an beliebiger Stelle im Meer sein. Dort würde der Schwimmkörper getaucht und mit Seilen am Meeresboden verankert werden, um ihn am Ort zu halten, um so durch ihn Energie nutzbar machen zu können.

Bei der ungeheueren Weite des Meeres könnte ihm weit mehr Energie entzogen werden, als jedem anderen Medium. Die entzogene Energie würde in der unendlichen Weite von der Mechanismus umgebenden Menge sich kaum bemerkbar machen.

Bei der Annahme, daß es 100 PS braucht, um Wasser durch ein Rohr mit einem Querschnitt von 0,8 m² bei einer Geschwindigkeit von 9 km/h zu pumpen, kann eine Vorstellung von herausziehbarer Energie dann gewonnen werden, wenn angenommen wird, daß in einer Meeresströmung Billionen Tonnen von Wasser in jeder Sekunde an einer bestimmten Stelle vor­ beifließen.

Infolge der geringen Anforderungen an den Wirkungsgrad, kann die Vorrichtung aus jedem geeigneten Metall oder glasfaserverstärktem Kunststoff aus Beton oder jedem neuen Material, was für diesen Zweck entwickelt werden könnte, bestehen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung kann im Wasser mit einem Wehr verbunden werden, und die Niedriggeschwindigkeits-Antriebsein­ heiten können in den Öffnungen des Wehres eingesetzt werden. In diesem Falle würde die Strömung in hohem Maße durch die strömungsführenden Rohre 8 verstärkt werden, so daß nur eine kleinere Anzahl von Einheiten und Antriebsvorrichtungen zur Erzeugung einer gegebenen Menge Energie erforderlich wäre.

Bei einer weiteren Abänderung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung erstreckt sich die Welle 6 durch die Kammer 4 hindurch und auf derselben Welle sitzt auf der anderen Seite eine weitere Antriebsein­ heit, wie es in gestrichelten Linien links in Fig. 2 dargestellt ist. Durch diese Vorrichtung würde das Drehmoment an der schraubenförmigen Antriebsvorrichtung erhöht werden und die Antriebsvorrichtung könnte besser stabilisiert werden.

In Fig. 3 ist eine vereinfachte Ausführungsform dieser Art der Vorrich­ tung dargestellt, bei der das Meerwasser nicht nur den langsam fließenden Strom darstellt, sondern auch als Arbeitsmedium verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform führt eine einfache Leitung 40 zu einer Verengung 12, welche zu einer Arbeitsturbine 14 führt, die mit einem Generator 15 verbunden ist. Wiederum ist eine Anzahl von Querkammern 21 mit der Leitung 40 verbunden. Es werden lediglich zwei solche Kammern darge­ stellt, wovon bei der einen der Betrieb der Strömung in die eine Richtung und bei der anderen der Betrieb bei der Strömung in die andere Richtung dargestellt wird. Jede Kammer enthält eine Pumpe 5, die auf einer horizontalen Welle angeordnet ist. Diese wird von einer langsam laufenden Turbine 7 angetrieben, wie es auch bei den Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und 2 der Fall ist. An einem Ende führt jede Kammer durch eine Verbindung 22 in eine Leitung 23, welche direkt vom Meer in die Leitung 40 übergeht. Es sind Ventile 24 und 25 vorgesehen. Das Ventil 24 dient dazu, den Fluß vom Meer in die Verbindung 22 zuzulassen oder abzusperren, und das Ventil 25 ermöglicht oder verhindert den Fluß von der Verbindung 22 oder durch eine weitere Verbindung 26 in eine Leitung 27, die ebenfalls direkt vom Meer Zugang zur Leitung 40 verschafft. Es sind Ventile 28 und 29 vorgesehen, wobei das Ventil 28 dazu dient, den Fluß vom Meer in die Verbindung 26 zuzulassen oder abzusperren und das Ventil 29 ermöglicht oder verhindert den Fluß in die Leitung 27.

Beim Betrieb der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung sind die Ventile 24, 25, 28 und 29, die mit jeder Kammer verbunden sind, wenn die Strömung in die eine Richtung verläuft, wie sie links dargestellt ist, so angeordnet, daß Wasser von der Pumpe 5 gepumpt wird und durch die Verbindung 26 in die Kammer 21 und durch die Verbindung 22 und die Leitung 23 herausfließt und in die Leitung 40 hinein. Wenn sich jedoch die Strömung umkehrt, wie es rechts dargestellt ist, werden alle Ventile umgeschaltet, so daß das Wasser nun in jede Kammer durch die Leitung 23 und die Verbindung 22 in die Kammer 21 fließt und aus ihr heraus durch die Verbindung 26 und das Rohr 27 in die Leitung 20. Dadurch ist die Strömungsrichtung in Leitung 40 immer die gleiche, in welcher Richtung auch immer die Strömung verläuft. Bei dieser Vorrichtung wird Meeres­ wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet und das Wasser wird durch eine Auslaßleitung 30 ins Meer zurück abgelassen, nachdem es zur Erzeugung von Elektrizität verwendet worden ist.

Die Ventile 24, 25, 28 und 29 sind so aufgebaut, daß sie entsprechend der Strömungsrichtung ihre richtigen Stellungen einnehmen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Umwandlung der Energie einer langsamen, natürlichen Strömung in elektrische Energie, mit einer mit einer Pumpe gekoppel­ ten ersten Turbine, auf die das Strömungsmedium einwirkt und einer Verengung im Strömungsweg zur Beschleunigung der Strömung vor einer weiteren, mit einem Generator gekoppelten Arbeitsturbine, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich die erste Turbine (7), die mechanisch direkt mit der Pumpe (5) gekoppelt ist, der natürlichen Strömung (9) ausgesetzt ist, daß die Pumpe (5) in einem eigenen Kreislauf eine schnellere Strömung erzeugt, die über ein Leitungssystem (1, 2, 40) auf die Arbeitsturbine (14) geführt wird, und wobei mehrere Pumpen-Turbinen- Einheiten (5, 7) auf einen Strömungskreislauf einwirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem (1, 2) ein geschlossenes System ist, das mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt oder füllbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Leitung (1, 2) je nach wechselnder Strömungsrichtung des natürlichen Mediums über eine von einem Ventil (11) umschaltbare Zuleitung eine gemeinsame Verbindung (10) zu der die Strömungsge­ schwindigkeit vergrößernden Verengung (12) besteht, daß zwischen der mit dem elektrischen Generator verbundenen Arbeitsturbine (14) und den Leitungen (1, 2) die Rücklaufleitungen (17, 18) angeordnet sind und daß in den Rücklaufleitungen (17, 18) weitere Ventile (19, 20) angeordnet sind, mit denen bei einer Flußrichtung der Arbeitsflüssigkeit in der Pumpe von der ersten Leitung (1) zur zweiten Leitung (2) die Ar­ beitsflüssigkeit über die Verengung (12) durch die erste Rücklauf­ leitung (18) zur ersten Leitung (1) zurückgeleitet wird und bei umgekehrter Strömungsrichtung des natürlichen Mediums mit der Flußrichtung der Arbeitsflüssigkeit in der Pumpe von der zweiten Leitung (2) zur ersten (1) die Arbeitsflüssigkeit über die Verengung (12) durch die zweite Rücklaufleitung (19) zur zweiten Leitung (2) zurückgeleitet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit der natürlichen Strömung entnommen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine geschlossene Leitung (40) vorgesehen ist, die an einem Ende mit der die Strömungsgeschwindigkeit erhöhenden Verengung (12) verbunden ist, wobei Leitungen (22) jedes Ende einer jeden Pumpen­ kammer (21) mit der geschlossenen Leitung (40) unter Zwischenschaltung von Ventilen (24, 25, 29) so verbinden, daß die natürliche Flüssigkeit unabhängig von ihrer Strömungsrichtung durch die Pumpenkammern (21) und Leitungen (22, 23, 27) in die geschlossene Leitung (40) gedrängt wird, während die natürliche Flüssigkeit in die Pumpenkammern (21) fließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller der ersten Turbinen je von einem strömungsführenden Rohr (8) umgeben sind.