CH700296A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Strom aus einem fliessenden Medium. - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (1) zur Erzeugung von Strom aus fliessendem Wasser mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen kettenförmig angeordneten Anströmelementen (6) von welcher Mehrzahl eine Anzahl, wenn in den Strom eingetaucht, ein Lasttrum bildet und eine andere Anzahl derselben Mehrzahl dann oberhalb der Wasseroberfläche verlaufend ein Rück- oder Leertrum bildet und über Umlenkorgane vor und zurück geleitet werden, wobei an mindestens einem Umlenkorgan (22) Arbeit entnehmbar ist.

Description

  [0001]    Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Stromerzeugung mit Hilfe von strömendem Wasser und betrifft eine Vorrichtung, mit welcher man in irgendwelchem strömenden Wasser Arbeit oder Strom erzeugen kann.

  

[0002]    Es sind eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt, welche die kinetische Energie von fliessendem Wasser in Arbeit umzusetzen fähig sind, zum Beispiel das unterschlächtige Mühlrad. Dabei werden kontrolliert bewegbare Mittel einer Strömung ausgesetzt, durch welche sie angeströmt und wegbewegt werden. Die Dislokationen werden in eine Drehbewegung umgesetzt und als Arbeit an der Achse des Mühlrades abgenommen. Dies ist das allgemeine Prinzip praktisch aller dieser Vorrichtungen. Bei der unterschlächtig mühlradartigen Vorrichtung taucht eine Schaufel in die Strömung, wird mitgezogen und taucht wieder auf, während eine weitere auf dem Rad angeordnete Schaufel eintaucht und von der Strömung mitgezogen wird. So sind stets ein bis zwei Schaufeln in der Strömung und die andern ausserhalb. Jede eingetauchte Schaufel bringt einen Beitrag zur Energiegewinnung.

   Bei 50 Schaufeln an einem Rad bringen zwei Schaufeln einen Beitrag was rechnerisch 4% ausmacht. Ob nun solch ein Mühlrad 50 oder eine andere Anzahl Schaufeln aufweist und ob eine oder zwei oder drei Schaufeln gleichzeitig eintauchen ist in diesem Beispiel unerheblich; es soll einfach gezeigt werden, dass an der ganzen Vorrichtung nur ein relativ kleiner Anteil an "Energieumesetzungselementen" gleichzeitig aktiv sind.

  

[0003]    Hier weggelassen sind alle Vorrichtungen, bei denen eine Art Schraube oder Propeller die kinetische Strömungsenergie direkt in eine Rotation umsetzen, an deren Achsen Arbeit abgenommen werden kann.

  

[0004]    Die Aufgabe der Erfindung ist, dieses Verhältnis zu verbessern. Genau genommen, wesentlich zu verbessern. Wie das gelöst wird, ist in den Patentansprüchen definiert und anschliessend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert und beschrieben.
<tb>Die Fig. 1 bis 4 <sep>zeigen eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss Erfindung.


  <tb>Die Fig. 5 bis 7 <sep>zeigen eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss Erfindung.


  <tb>Die Fig. 8 bis 11 <sep>zeigen eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss Erfindung.


  <tb>Die Fig. 12 und 13 <sep>zeigen eine bevorzugte Ausführungsformen einer Gleithalterung an Anströmelementen, bei denen keine Zugelemente benötigt werden.


  <tb>Die Fig. 14 bis 18 <sep>zeigen Beispiele verschiedener möglicher Anströmelemente.

  

[0005]    Fig. 1 zeigt eine erste Vorrichtung 1 mit einer Vielzahl von Anströmelementen 6, die an einer Führung 51 bzw. 52 entlang geführt werden. Die Führung 51 ist die Führung für das Lasttrum und die Führung 52 ist die Führung für das Rück- oder Leertrum. Die beiden Führungen 51 und 52 sind an einer Plattform 5 angebracht. Die Anströmelemente 6 umlaufen eine erste und eine zweite Umlenkung 2 und 3, einen Eintauch-Umlenkungsrotor 2 und einen Entleer-Umlenkungsrotor 3. Die Anströmelemente 6 sind gefässartig ausgebildet, sie können also Last aufnehmen, in diesen Beispielen ist es Wasser, und diese Last wieder abgeben bzw. das Wasser wieder ausschütten. Die Anströmelemente 6 des Lasttrums sind mindestens teilweise in einen Strom eingetaucht, der hier durch einen Pfeil WF dargestellt ist und zugleich die Strömungsrichtung anzeigt.

   Mit den Stützen 24 wird die Vorrichtung am Boden fixiert. Eine weitere Ausführungsform wird gezeigt, bei der keine Stützen notwendig sind, sondern Schwimmkörper die Vorrichtung in der Strömung halten. Ziffer 8 und 9 zeigen die Laufrichtungen des Leer- und Lasttrums und Ziffer 10 und 11 zeigen den Entleerungs- und Eintauchbereich.

  

[0006]    Fig. 2 und 4 zeigen die beiden Umlenkungen, hier näher bezeichnet als Generatorrad 21 mit einem auf der Generatorwelle 25 aufgesetzten Generator 22 zur Stromerzeugung und mit einer Generatorradverzahnung 23 für den Eingriff an die Anströmelemente 6 und im Gegenspiel als Entleerungsrad 31 mit Entleerungsradverzahnung 33 und mit Entleerungsradwelle 32, auf die natürlich auch eine Generator aufgesetzt werden kann,. Die kettenartig zusammenhängenden Anströmelemente 6 umlaufen so die beiden Umlenkungen einmal als Lasttrum, Pfeil 9, und einmal als Leertrum, Pfeil 8. Während die Anströmelemente 6 des Lasttrums in die Strömung eingetaucht sind, sind die Anströmelemente 6 im Leertrum über der Wasseroberfläche.

  

[0007]    Im Leertrum gemäss Fig. 4erkennt man, dass die in diesem Vorrichtungsabschnitt sich befindenden Anströmelemente 6 eine andere Form haben als im Lasttrum gemäss Fig. 1. Dies deswegen, weil die Anströmelemente 6 in diesem Beispiel, wie in Fig.  3im Schnitt gezeigt, flexible, sackartige Elemente sind, die, wenn durch die Entleerungskulisse 12 hochgepresst, sich grösstenteils entleeren, und so eine geringere Potentialenergie/Potentialarbeit (gegen die Schwerkraft) überwinden müssen. Es wäre nicht sinnvoll die ganz vollen Behälter über die Wasseroberfläche empor zu heben, um sie gefüllt als Leertrum zurück zu führen. Die Entleerung erfolgt, wie gesagt, über die Entleerungskulisse 12, sichtbar in Fig. 2 und die Wieder-Füllung erfolgt über eine Füllkulisse 13, sichtbar in Fig. 4.

   Das ganze Leertrum mit dem hier im Wesentlichen entleerten Behältern erkennt man in Fig. 4.

  

[0008]    Nun zur Funktion der Vorrichtung. Die eingetauchten Anströmelemente im Lasttrum werden von der Strömung in Richtung WL angeströmt und weggetrieben und dies in diesem Beispiel rund vierzehnmal. Damit sind nahezu die Hälfte, also gute 40% der Anströmelemente gleichzeitig aktiv, was eine wesentlich bessere Ausbeute der vorhandenen kinetischen Energie einbringt, als beim oben diskutierten unterschlächtigen Mühlrad. Die im Wesentlichen entleerten Anströmelemente im Leertrum diminuieren den Antriebsteil um die Hebearbeit bei der Entleerung und allfälligen Gleitwiderstand im Leertrum und schliesslich auch die Reibungsenergie der gesamten Vorrichtung. Die Abstände der Anströmelemente zueinander sollen so gross sein, dass die vordere Anströmfläche ausserhalb der an der Rückseite erzeugten Wirbelzone eines strömungsmässig vorderen Anströmelementes zu liegen kommt.

   In Detailfiguren weiter unten werden Einzelheiten und Beispiele, wie die Anströmelemente ausgestaltet werden können und was für ungefähre Strömungseigenschaften sie haben können diskutiert.

  

[0009]    Die Fig. 5 bis 7 zeigen nun eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss Erfindung. Hier erkennt man auf den ersten Blick, dass zur Bildung des Leertrums die Anströmelemente ausgekippt werden.

  

[0010]    Fig. 5 zeigt eine zweite Vorrichtung 1 mit einer Vielzahl von Anströmelementen 6, die an einer Führung 51 bzw. 52 entlang laufen. Die Führung 51 ist die Führung für das Lasttrum und die Führung 52 ist die Führung für das Leertrum. Die beiden Führungen 51 und 52 sind auch an einer Plattform 5 angebracht. Die Anströmelemente 6 umlaufen eine erste und eine zweite Umlenkung 2 und 3, einen Eintauch-Umlenkungsrotor 2 und einen Entleer-Umlenkungsrotor 3. Die Anströmelemente 6 sind in diesem Beispiel starr gefässartig ausgebildet, um Last aufnehmen werden sie eingetaucht, um Last abzugeben werden sie gekippt. Die Anströmelemente 6 im Lasttrum sind in den Strom eingetaucht, der hier in Richtung Pfeil WF fliesst. Mit den Stützen 24 wird die Vorrichtung am Boden fixiert.

   Die beiden Umlenkungen sind auch als Generatorrad 21 mit einem auf der Generatorwelle 25 aufgesetzten Generator 22 zur Stromerzeugung, mit einer Generatorradverzahnung 23 für den Eingriff an die Anströmelemente 6 und als Entleerungsrad 31 mit Entleerungsradwelle 32, mit einer Entleerungsradverzahnung 33 ausgebildet. Die kettenartig zusammenhängenden Anströmelemente 6 umlaufen die beiden Umlenkungen einmal als Lasttrum, Richtung Pfeil 9, und einmal als Leertrum, Richtung Pfeil 8. Während die Anströmelemente 6 des Lasttrums in die Strömung eingetaucht sind, sind die Anströmelemente 6 im Leertrum ebenfalls über der Wasseroberfläche, aber in gekippter Stellung. Wie bei der ersten Ausführungsform ist so eine geringere Potentialenergie/Potentialarbeit (gegen die Schwerkraft) zu leisten. Die Entleerung erfolgt über eine Entleerungskulisse 12, gut sichtbar in Fig. 7.

   Zum Wiederfüllen müssen Anströmelemente 6 wieder zurück gekippt werden. Dies geschieht über einen Steg oder Rückstellbalken 13.1, an dem die Anströmelemente 6 vorbei ziehen und aus ihrer gekippten Lage in die Fülllage gebracht werden; gut sichtbar in Fig. 6. Das ganze Leertrum mit den, hier nun ganz entleerten Behältern erkennt man in Fig. 5.

  

[0011]    Die Fig. 8 bis 11 zeigen eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss Erfindung. Hier erkennt man, dass am Leertrum die Anströmelemente sozusagen über Kopf ausgekippt werden.

  

[0012]    Die Fig. 8 zeigt eine Vorrichtung 1 mit einer Vielzahl von Anströmelementen 6, die zwischen den Führungen 51 bzw. 52 entlang laufen. Die ganze Vorrichtung wird in eine Wasseroberfläche WL eingetaucht gezeigt. Die Befestigung der Anströmelemente 6 auf beiden Seiten der Führungen 51 und 52 verhindert das Drehmoment, das bei den ersten beiden Ausführungsformen auf die Befestigungselemente wirkt und so ein leichtes Verkanten dieser in der Führung auslöst. Die Bezeichnungen 51 und 52 wurden beibehalten, benennen aber nicht mehr Leer- und Lasttrum sondern die Führungen. Das Lasttrum ist unter Wasser, das Leertrum über Wasser.

   Bei dieser Ausführungsform hat man die Möglichkeit das Befestigungsmittel für die Anströmelemente 6, hier ein Behältersteg 53 zur Befestigung der Anströmelemente so gross zu wählen, dass die Anströmelemente 6 in Strömungsrichtung versetzt angeordnet werden können, so dass jedes Anströmelement 6 praktisch ungestört angeströmt werden kann. In Fig. 8 erkennt man oberhalb der Wasseroberfläche WL je die Hälfte des Eintauch-Umlenkungsrotors 2 und des Entleer-Umlenkungsrotors 3. Ferner erkennt man das Leertrum 8, das in Pfeilrichtung zwischen den Führungen 51 und 52 läuft. Diese Führungen 51 und 52 sind je an zwei Schwimmkörpern 54 befestigt. Die Umlenkung zum Auftauchen bzw. das Entleerungsrad 31 hat die gleiche Funktion wie bei den beiden vorher besprochenen Ausführungsformen.

   Auf der Gegenseite, in der Umlenkung zum Eintauchen der Anströmelemente 6, dem Generatorrad 21 ist ein oder der Generator 22 angeordnet. Alle diese Figuren haben schematischen Charakter, sodass für die Erklärung der Bau- und Funktionsweise nicht zwingende Bauelemente weggelassen sind; hier sind es bspw. die elektrischen Anschlüsse des Generators, wie dies auch in den vorher diskutierten Figuren so gehalten wird. Die Vorrichtung hat eine hier nicht gezeigte Verankerung, die bewirkt, dass die ganze Einrichtung nicht davonschwimmt und dass sie vor allen Dingen der Strömung Widerstand entgegenbringt.

  

[0013]    Fig. 9 zeigt neben der Überwasseransicht auch noch einen Teil der Vorrichtung, die unter Wasser ist, vor allen Dingen das Lasttrum 9 mit den von der Strömung angetriebenen Anströmelementen 6. Die Wasseroberfläche WL ist soweit zurückgenommen, dass man die eingetauchten Vorrichtungsteile gut sehen kann. Die Fig. 9 zeigt zwei Ausschnitte C und D an den beiden Umlenkungen zum Ein- und Auftauchen, die in den Figuren 10 und 11 detailliert gezeigt sind. So erkennt man in Fig. 10 den auf der Welle im Umlenkrad 21 angeordneten Generator 22 bzw. dessen Rotor, dessen Statorgehäuse an der Entleerungsradwelle 32 des Entleerungsrades 31 in Fig. 11fixiert ist (nicht dargestellt) und so am Mitdrehen mit dem Generatorrotor gehindert ist.

   Durch die versetzten und so der ungehinderten Strömung ausgesetzten Anströmelemente 6, weisen diese einen etwas höheren Wirkungsgrad auf, als jene in einer Reihe hintereinander angeordneten Anströmelemente 6.

  

[0014]    Auf diese Weise gibt es noch einige Möglichkeiten, die Ausführungsformen gemäss Erfindung zu optimieren.

  

[0015]    Die Figuren 12 und 13 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Anströmelemente 6. Ein Anströmelement hat verschiedene Aufgaben zu erfüllen, es soll einzeln befestigbar bzw. einzeln in die Führungen einsetzbar sein, es soll auswechselbar sein, es soll führungsstabil sein, es soll gut führbar sein, es soll auch einen möglichst grossen Strömungswiderstand aufweisen. So zeigt Fig. 12ein Anströmelement 6 in Form eines Behälters 63.1 mit einer Bodenzone 64, einer Versteifung 65, die auf der einen Seite eine daran angeordneten Behälterring 66 und auf der anderen Seite einen hier zylinderförmigen Befestigungsteil 61 aufweist. Der zylinderförmige Befestigungsteil 61 weist eine Länge auf, welche die Abstände der Behälter zueinander bestimmt.

   Diese Anströmelemente werden einzeln in die Führungen 51, 52 eingeschoben, ohne sie miteinander zu verbinden, sodass sie sich berührend in die gewünschte Richtung stossen. Dabei müssen die Führungen auch über die Umlenkungen geführt werden, was hier nicht im Detail gezeigt ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sich die Befestigungsteile unter Last, also wenn sie gestossen werden, gegenseitig stabilisieren und die Wirkung des unvermeidlichen Drehmoments des angeströmten Behälters via Befestigungsteile auf die Führung teilweise abgefangen wird. Die Gesamtlänge wird so gewählt, dass die in Reihe geordneten Behälter ausreichend angeströmt werden können.

  

[0016]    Fig. 13 zeigt eine der Fig. 12 entsprechende Ausführungsform mit zwei zylinderförmigen Befestigungsteilen 61, die über einen Behältersteg 53 verbunden sind und, entsprechend angepasst, im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform der Vorrichtung gemäss Fig. 8verwendet werden kann. In dieser Ausführung fällt das Problem des unvermeidlichen Drehmoments praktisch weg.

  

[0017]    Die beiden Fig. 14 und 15 zeigen eine Ausführungsform eines Anströmelements 6, wie es in der ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäss den Fig. 1 bis 4gezeigt ist, nämlich jene, die zum Entleeren von unten her ausgedrückt werden. Sie weist im Behälterbereich 64 die Form eines Sackes' 63.3 auf, der in Fig. 14 gefüllt und in Fig. 15 entleert dargestellt ist. Man erkennt in Figur 15, wie der sackartige Behälter 63.3 zu einem Wulst zusammengedrückt ist. Der sackförmige Behälterbereich 63.3 ist mittels eines Behälterrings 66 an der Versteifung 65 befestigt. Das an der Versteifung 65 angeordnete Befestigungsteil 61 ist, wie aus den vorher diskutierten Ausführungen der Anströmelemente 6, mittels Zugverbindungskerben 62 formschlüssig oder nicht formschlüssig am Zugelement des Trums befestigbar.

   Der Behälterbereich 63.3 des Anströmelements 6 wird mittels Anfahren auf die Entleerungskulisse 12 hochgedrückt und so entleert und in dieser hochgedrückten Position entlang dem Leertrum 8 zurück zum Eintauch- und Umlenkungsrotor 2 gefördert, um über die Füllkulisse 13, die es wieder in Sackform bringt, wieder in den Strom einzutauchen, um aufgefüllt zu werden.

  

[0018]    Die Zugverbindungskerbe 62 zum Einhängen in ein Zugseil des Trums oder zur Befestigung an demselben, wird vorteilhafterweise formschlüssig ausgebildet, um ein eventuelles Aushängen oder Ausgleiten bei den Umlenkungen, wo das Befestigungsteil 61 die Führungen verlässt, zu vermeiden. Dies einfach als zusätzliche Sicherheit. Dafür bildet man bspw. am Befestigungsteil 61 zwei schwalbenschwanzförmige Kerben aus, in welche längere oder kürzere Zugseilabschnitte mit dem Schwalbenschwanz-Gegenstück zwischen zwei Behältern jeweils eingeklinkt werden können. Damit ist auch der Abstand zwischen zwei Anströmelementen 6 fix (ähnlich wie bei den Ausführungsformen gemäss Fig. 12 und 13) und die Elemente können sich nicht verschieben.

   Man geht davon aus, dass jeder Behälter so von der Strömung erfasst wird, dass er entweder den Behälter stromaufwärts mitzieht oder den Behälter stromabwärts bremst und so die Distanz zu den Behältern vorne und hinten in der Reihe aufrecht erhält.

  

[0019]    Die Fig. 16 zeigt eine andere Form eines Anströmelements 6, in welchem der Behälterbereich einen kugelförmigen Anteil 63.4 aufweist und die Bodenzone 64 etwas kleiner kugelförmig geformt ist. Der Behälterbereich 63.4 kann in fester sowie weicher Form ausgebildet sein. Beim Anströmen ist der Druckwiderstand dieses kugelförmigen Körpers ca. 90% und hat einen Reibungswiderstand von ca. 10%.

  

[0020]    Fig. 17 zeigt ein weiteres Anströmelement 6, dessen Behälterform zylindrisch 63.2 geformt ist und die Bodenzone 64 flach ausgebildet ist. Beim Anströmen ist der Druckwiderstand dieses runden Körpers auch ca. 90% und der Reibungswiderstand ca. 10%

  

[0021]    Fig. 18 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Anströmelements 6, bei dem der Behälterbereich kubisch 63.5 geformt ist. Diese flache Anströmfläche des Behälterbereiches 63.5 hat praktisch einen Druckwiderstand von annähernd 100%.

  

[0022]    Die Prozentwerte wurden aus einer allgemeinen Strömungstabelle entnommen und sind nur als ungefähr zu betrachten. Alle diese Formen weisen verschiedene Anström- bzw. Widerstandseigenschaften auf, wobei noch weitere Formen möglich sind, was durch Ausprobieren und Optimieren ermittelt werden kann.

  

[0023]    Kurz zusammengefasst besteht die Vorrichtung zur Erzeugung von Strom aus einem fliessende Medium aus einer Mehrzahl von im wesentlichen in Reihe angeordneten Anströmelementen, von welcher Mehrzahl eine Anzahl, wenn in das fliessende Medium eingetaucht, ein Lasttrum bildet und eine andere Anzahl derselben Mehrzahl dann oberhalb der Mediumoberfläche verlaufend ein Rück- oder Leertrum bildet und über Umlenkorgane vor und zurück geleitet werden, wobei an mindestens einem Umlenkorgan Arbeit entnehmbar ist.

  

[0024]    Ein Verfahren zur Gewinnung von Strom aus fliessendem Wasser zeichnet sich dadurch aus, dass eine mit einer Mehrzahl von im wesentlichen aneinander angeordneten Anströmelementen, mit einer Anzahl dieser Mehrzahl in das fliessende Medium eingetaucht wird und so ein Lasttrum gebildet wird und eine andere Anzahl derselben Mehrzahl oberhalb der Mediumoberfläche gehalten wird und so ein Rück-oder Leertrum gebildet wird und die Anströmelemente über Umlenkorgane umlaufend vor und zurück geleitet werden, wobei an mindestens einem Umlenkorgan Arbeit entnommen wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Strom aus einem fliessende Medium mit einer Mehrzahl von im wesentlichen in Reihe angeordneten Anströmelementen, von welcher Mehrzahl eine Anzahl, wenn in das fliessende Medium eingetaucht, ein Lasttrum bildet und eine andere Anzahl derselben Mehrzahl dann oberhalb der Mediumoberfläche verlaufend ein Rück- oder Leertrum bildet und über Umlenkorgane vor und zurück geleitet werden, wobei an mindestens einem Umlenkorgan Arbeit entnehmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung entweder schwimmend verankert oder nichtschwimmend fest verankert im fliessenden Wasser anbringbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmend verankerbare Vorrichtung Schwimmkörper aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fest verankerbare Vorrichtung Stützen zur Verankerung am Flussboden aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmelemente als Behälter ausgestaltet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmelemente einseitig oder beidseitig führbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter der Anströmelemente mit einem Medium beaufschlagbar sind und im Betrieb als Lasttrum mit dem Medium gefüllt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Wasser ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter aus flexiblem Material besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter aus steifem Material besteht.

11. Verfahren zur Gewinnung von Strom aus fliessendem Medium, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einer Mehrzahl von im wesentlichen aneinander angeordneten Anströmelementen, mit einer Anzahl dieser Mehrzahl in das fliessende Medium eingetaucht wird und so ein Lasttrum gebildet wird und eine andere Anzahl derselben Mehrzahl oberhalb der Mediumoberfläche gehalten wird und so ein Rück- oder Leertrum gebildet wird und die Anströmelemente über Umlenkorgane umlaufend vor und zurück geleitet werden, wobei an mindestens einem Umlenkorgan Arbeit entnommen wird.