DE4138601A1 - Anlage zur energieerzeugung durch wasserkraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Energieerzeugung durch Wasserkraft durch Umwandlung der Strömungsenergie fließender Gewässer in elektrische Energie.

Die Erzeugung von elektrischer Energie mittels Wasserkraftwer­ ken ist allgemein bekannt. Zur Umwandlung der Strömungsenergie fließender Gewässer, wie z. B. Flüsse, in elektrische Energie sind nur wenige Lösungen bekannt. In der DE-OS 31 14 847 ist ein Kettenwasserkraftwerk beschrieben, bei dem Wassermulden in Ab­ ständen hintereinander zwischen zwei parallel laufenden, end­ losen Antriebsketten befestigt sind und die Ketten über je zwei hintereinanderliegenden Antriebsrädern laufen. Die unterste Muldenkette wird im Wasser durch die Flußgeschwindig­ keit in Bewegung gesetzt. Die Antriebsräder sind gegenüberlie­ gend mit Antriebsachsen verbunden, und von da aus wird durch die Übersetzungsräder oder Getriebe die erzeugte Kraft dem Energieträger zugeführt.

Der Nachteil dieser Anlage besteht vor allem darin, daß der Antriebsmechanismus starken mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, da neben der Eigenmasse der Wassermulden diese noch durch zusätzliche Kraftkomponenten, hervorgerufen durch den Wasser­ druck und den Strömungsdruck, belastet werden, die größer als die vorhandene Auftriebskraft des Wassers sind. Diese Anlage ist somit in ihrer Baugröße begrenzt und nur zur Erzeugung kleiner Energiemengen geeignet. Die Anlage kann nur eine rela­ tiv kurze Baulänge aufweisen, da ansonsten Stabilitätsprobleme auftreten. Außerdem führt die starke Belastung des Antriebs­ mechanismus zu Energieverlusten und einem hohen Verschleiß der rotierenden Bauteile.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage zur Ener­ gieerzeugung durch Wasserkraft zu schaffen, die es ermöglicht, die Strömungsenergie fließender Gewässer in elektrische Ener­ gie mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung umzuwandeln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 ange­ gebenen Merkmale gelöst. Die Anlage besteht aus mehreren in einem größeren Abstand zueinander in Längsrichtung ange­ ordneten katamaranförmigen Prahmen. Die Prahmen sind in örtlich fixierten Führungselementen vertikal verschiebbar und gegen seitliches Verschieben gesichert. Die Umlenkrollen zur Führung mindestens eines endlosen Übertragungsmittels sind zwischen den Katamaranrümpfen der Prahmen angeordnet. Die an den Über­ tragungsmitteln befestigten Behälter sind mit Auftriebsmitteln ausgerüstet. Die Prahmen können in einem großen Abstand, z. B. von mehreren Hundert Metern, angeordnet sein, zwischen denen dann das endlose Übertragungsmittel mit den Behältern geführt wird. Es ist zweckmäßig, die Behälter als Becher auszubilden. Die Behälter weisen im Boden eine oder mehrere Öffnungen auf, die verschließbar sind.

Um den gewünschten Auftrieb zu erzielen, haben die Behälter einen Hohlraum, der mit Luft oder Gas, wie Helium, gefüllt ist. Anstelle eines Gases kann als Auftriebsmittel auch ge­ schäumter Kunststoff eingesetzt werden. Entweder die vor­ handenen Hohlräume werden ausgeschäumt oder ein Teil des Be­ hälters ist von einer Schaumstoffschicht umgeben. Da bei An­ lagen, bei denen die Prahmen weit auseinanderstehen, der obere Teil des endlosen Übertragungsmittels mit den Behältern durch­ hängen wird, sind die Behälter jeweils auf den sich berührenden Seiten mit einer gleitfähigen Beschichtung versehen. Die Auf­ triebsmittel für die Behälter sind so angeordnet, daß die Be­ hälter während der Einwirkung der Strömungskraft des Wassers in einer waagerechten Lage gehalten werden. Die Antriebs­ wirkung ist dabei so bemessen, daß die Behälter selbsttätig schwimmen und mit ihrer oberen Wand geringfügig aus dem Wasser ragen. Zwischen den auf die im Wasser geführten Be­ hälter einwirkenden Kräfte und den Auftriebskräften der ein­ gesetzen Auftriebsmittel soll nach Möglichkeit ein vollstän­ diger Kräfteausgleich stattfinden. Durch das geringfügige Her­ ausragen der oberen Wand der Behälter aus dem Wasser, die vor­ zugsweise mit einer gleitfähigen Beschichtung versehen ist, können die sich in entgegengesetzter Richtung bewegenden, leicht durchhängenden Behälter gleitend geführt werden. Die Becher haben in der Regel ein Volumen von mehreren Kubik­ metern. Sie sind stabil in Leichtbauweise ausgeführt, z. B. aus Aluminium und weisen mit Luft oder Gas gefüllte Hohlräume auf. Die Becher können aber auch aus Kunststoff gefertigt sein, wobei sie mit zusätzlichen Verstärkungselementen ausgerüstet sind. Die Becher haben ein oder mehrere Löcher im Boden, die selbsttätig durch eine Klappe während des Eintauchens in das Wasser verschließbar sind. Da sich die Klappe nach dem Auf­ tauchen der Becher automatisch wieder öffnet, kann das noch im Becher befindliche Wasser durch die Öffnung abfließen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen den Prahmen, entsprechend dem Strömungsverlauf des Wassers, seit­ liche Zwangsführungen für die Behälter angeordnet. Das ist ins­ besondere erforderlich, wenn die Behälter im Bereich von Fluß­ biegungen installiert werden, da hier andere Strömungsver­ hältnisse herrschen als bei einem geraden Flußverlauf.

Eine weitere vorteilhafte Variante besteht darin, den zur Strom­ erzeugung notwendigen Generator in einem der Umlenkräder anzu­ ordnen. Die erzeugte Energie wird mittels Unterwasserkabel zu einer Zwischenstation an Land geführt, über die dann die Versorgung der einzelnen Verbraucher erfolgt.

Der Vorteil der Anlage besteht vor allem darin, daß diese in großer Baulänge errichtet werden kann und somit zur Erzeugung beträchtlicher Mengen an elektrischer Energie einsetzbar ist. Die rotierenden Bauteile unterliegen einem sehr geringen Ver­ schleiß. Der gesamte Antriebsmechanismus ist bedingt durch die Auftriebswirkung der Behälter nur geringen Belastungen ausge­ setzt, so daß ein hoher Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung erzielt wird. Die Anlage zeichnet sich durch einen geringen Wartungsaufwand und einen einfachen Aufbau aus. Kompakte Stahlkonstruktionen sind nicht erforderlich. Die Anlage kann neben der Schiffahrtsrinne installiert werden und führt zu keiner Beeinträchtigung der Schiffahrt. Durch die axiale Führung der Prahmen ist die Anlage vom Pegelstand des Flusses unabhängig. Insbesondere in Regionen mit großen Flüssen, die bisher noch nicht oder nur wenig erschlossen sind, kann diese Anlage einen wesentlichen Beitrag zur Energieversorgung liefern.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Anlage in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Prahme,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Bewegungs­ ablaufes der Becher in vergrößertem Maßstab und

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Becher in ver­ größertem Maßstab.

In der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Anlage dargestellt. Zur örtlichen Fixierung der beiden Prahmen 1, 1′ sind jeweils zwei U-Profile 3, 3′ in den Boden des Flusses gerammt. Die Prahmen 1, 1′ sind mit seitlichen Arretierungselementen 2 (Fig. 2) ver­ sehen, die in die U-Profile 3, 3′ einrasten und eine stabile Lagefixierung der Prahmen gewährleisten. Zwischen den Katama­ ranrümpfen 4, 4′ der beiden Prahmen 1, 1′ ist jeweils eine Umlenkrolle 5, 5′ angeordnet. Zwischen den beiden Umlenk­ rollen 5, 5′ läuft eine endlose Kette 6, die mit den beiden Umlenkrollen 5, 5′ in Wirkverbindung steht. An der umlaufenden Kette 6 sind in kurzem Abstand zueinander Becher 7 befestigt. Bei großen Anlagen ist es zweckmäßig, zwei Ketten parallel zueinander anzuordnen und einen Becher an beiden Ketten zu befestigen. Die Ketten können auch mit in kurzem Abstand zu­ einander angeordneten Traversen versehen sein, an denen die Becher befestigt sind.

Die Umlenkrollen 5, 5′ sind über ein Getriebe mit einem Gene­ rator 13 verbunden. Die Generatoren können außerhalb der Um­ lenkrollen 5, 5′ (Fig. 2) oder in den Umlenkrollen 5, 5′ ange­ ordnet sein. Von den Generatoren 13 aus verlaufen Stromkabel, die als Unterwasserkabel verlegt sind, zu Zwischenstationen am Uferrand oder direkt zu den Verbrauchern.

Zwischen den Katamaranrümpfen 4, 4′ der Prahmen 1, 1′ sind noch Versteifungselemente 14 angeordnet (Fig. 2). Die Becher 7 bestehen aus einer Leichtmetallkonstruktion mit einer Hohl­ wand 11, die zur Erhöhung der Auftriebswirkung der Becher mit Luft oder Gas, wie z. B. Helium, gefüllt ist. In der Fig. 4 ist ein als Becher ausgebildeter Behälter 7 in ver­ größertem Maßstab dargestellt. Der Becher 7 ist am Boden 8 mit einer Öffnung 9 versehen. Diese Öffnung 9 ist durch eine be­ wegliche Verschlußklappe während des Eintauchens in das Wasser selbsttätig verschließbar. Die Verschlußklappe 10 öffnet sich nach dem Auftauchen aus dem Wasser wieder selbsttätig, wobei ihr Öffnungsweg durch eine nicht dargestellte Sperreinrichtung begrenzt ist, um während des Bewegungsablaufes außerhalb des Wassers ein vollständiges Aufklappen zu verhindern. Der Becher 7 ist an seiner oberen Seite, ausgehend von der Betrachtungsweise der Becher während der Bewegung im Wasser, mit einer Hohlwand 11 ausgerüstet. An der Außenseite der Hohlwand 11 befindet sich eine gleitfähige Schicht 12, z. B. aus Polytetrafluoräthylen, die während der Bewegung der Becher 7 im Wasser, aus dem Wasser ragt. Die Hohlwand 11 hat in Richtung zum Boden 8 des Bechers 7 eine bauchförmige Aufweitung. Der gesamte Hohlraum ist mit einem Auftriebsmittel 15, z. B. Luft oder Gas, gefüllt. An Stelle des Hohlraumes kann auch ein entsprechend geformter Schaumstoffkörper als Auftriebsmittel an der Innenseite der Wand des Bechers 7 befestigt werden. Die Auftriebsmittel müssen so angeordnet sein, daß während der Einwirkung der Strömungskraft des Wassers die Becher eine waagerechte Lage einnehmen. Die Größe der Auftriebskraft der eingesetzten Auftriebsmittel sollte dabei so bemessen sein, daß die Behälter während der Bewegung schwimmen und dabei die gleitfähige Schicht 12 aus dem Wasser ragt. Dadurch wird eine zusätzliche Belastung der Übertragungsmittel, der endlosen Kette, vermieden.

Da die Anlage über eine Länge von mehreren Hundert Metern installiert werden kann, ist es trotz zusätzlicher Spannvor­ richtungen für die Kette unvermeidbar, daß die oberhalb der Wasseroberfläche geführten Becher zusammen mit der Kette durch­ hängen. Dies ist jedoch relativ unproblematisch, da die Becher 7 an der zur Wasseroberfläche zeigenden Seite mit einer gleitfähigen Schicht 12 ausgerüstet sind. Die durchhängenden leeren Becher gleiten während des Rücklaufes mit ihrer Beschichtung auf der Beschichtung der mit Wasser gefüllten Be­ hälter, wodurch nur geringe Reibungskräfte auftreten.

Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Anlage ist folgende.

Die beiden Prahmen 1, 1′ werden mittels Schlepper zu den im Flußgrund verankerten U-Profilen 3, 3′ transportiert und mittels der Arretierungselemente an diesen befestigt. Die Prahmen können sich nur noch in vertikaler Richtung bewegen und schwimmen auf dem Wasser. Nach der Befestigung der beiden Prahmen 1, 1′ werden die umlaufende Kette 6 gespannt und die Stromkabel am Generator angeschlossen. Je nach Größe der An­ lage können die Becher vor und nach dem Verspannen an der um­ laufenden Kette befestigt werden.

Durch die Strömungskraft des Wassers, angedeutet durch einen Pfeil in Fig. 3, werden die Becher 7 zusammen mit der Kette 6 und den beiden Umlenkrollen 5, 5′ in Bewegung versetzt. Wie Fig. 3 zeigt, öffnet sich bei dem jeweils aus dem Wasser auftauchenden Becher 7 die Klappe 10 und durch die Öffnung 9 strömt Luft ein. Der Becher 7 wird an der Kette 6 um die Umlenkrolle 5 geführt und dabei vollständig geleert. Nach einer kurzen Wegstrecke, der Becher 7 hängt zusammen mit der Kette 6 und den anderen leeren Bechern leicht durch, berührt der Becher mit seiner gleitfähigen Schicht die gegenüberliegen­ den, im Wasser geführten Becher und gleitet auf diesen. Kurz vor Erreichen der anderen Umlenkrolle 5 hebt der Becher 7 wieder leicht ab, wird um die Umlenkrolle 5 geführt und taucht in das Wasser ein. Durch das einströmende Wasser wird die ge­ öffnete Klappe 10 geschlossen und durch die Strömungskraft des Wassers mit den anderen im Wasser befindlichen Bechern 7 mitgezogen. Die auf die Becher 7, die Kette 6 und die Umlenk­ rollen 5, 5′ übertragene Strömungskraft des Wassers wird im Generator 13 in elektrische Energie umgewandelt. Zusätzlich kann die Anlage noch mit Treibgutabweisern ausge­ rüstet sein.

Claims (12)

1. Anlage zur Energieerzeugung durch Wasserkraft durch Umwand­ lung der Strömungsenergie fließender Gewässer in elektrische Energie, wobei die Anlage schwimmend auf dem Wasser angeord­ net ist, endlose Übertragungsmittel aufweist, die über einen Antriebsmechanismus mit einem Generator gekoppelt sind, an dem Übertragungsmittel in das Wasser eintauchbare, einsei­ tig geöffnete Behälter befestigt sind, deren offene Seite im eingetauchten Zustand entgegen der Strömungsrichtung des Wassers zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in einem größeren Abstand zueinander in Längsrichtung angeordnete katamaranförmige Prahmen (1, 1′) vorgesehen sind, die in örtlich fixierten Führungselementen (2, 3, 3′) verti­ kal verschiebbar und gegen seitliches Verschieben gesichert sind, wobei zwischen den Katamaranrümpfen (4, 4′) der Prahmen (1, 1′) Umlenkrollen (5, 5′) zur Führung minde­ stens eines endlosen Übertragungsmittels (6) angeordnet sind und die am Übertragunsmittel (6) befestigten Behälter (7) mit Auftriebsmitteln (15) ausgerüstet sind, wobei die Auftriebsmittel (15) so angeordnet und bemessen sind, daß die Behälter (7) während der Einwirkung der Strömungskraft des Wassers in einer waagerechten Lage selbsttätig schwim­ mend und mit ihrer oberen Wand (11, 12) geringfügig aus dem Wasser ragend bewegbar sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ hälter (7) als Becher ausgebildet sind.

3. Anlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Behälter (7) im Boden (8) mit einer oder mehreren Öffnungen (9) versehen sind.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnungen (9) verschließbar ausge­ bildet sind.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Behälter (7) einen oder mehrere Hohl­ räume (11) aufweisen, die mit Luft oder Gas gefüllt sind.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Helium eingesetzt ist.

7. Anlage nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (11) an der oberen Seite der Becher (7), ausgehend von der Betrachtungsweise der Becher während der Bewegung im Wasser, angeordnet ist und eine in Rich­ tung zum Boden (8) zeigende bauchförmige Aufweitung besitzt.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Teile des Behälters (7) mit einem Kunststoff­ schaum versehen sind.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffschaum an der oberen Seite der Becher (7), aus­ gehend von der Betrachtungsweise der Becher während der Bewegung im Wasser, angeordnet ist und als Formkörper mit einer in Richtung zum Boden (8) zeigenden bauchförmigen Aufweitung ausgebildet ist.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Behälter (7) an der zur Wasseroberfläche zeigenden Seite mit einer gleitfähigen Schicht (12) ausge­ rüstet sind.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen den Prahmen (1, 1′), entsprechend dem Strömungsverlauf des Wassers, seitliche Zwangsführungen für die Behälter (7) vorgesehen sind.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in mindestens einer der Umlenkrollen (5, 5′) der Generator angeordnet ist.