CH707405A2 - Verfahren zur Stromerzeugung mittels Wasserturbine in Fliessgewässern. - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Strom in Fliessgewässern (1), indem ein schwimmendes Wasserrad (9, 10) über ein an Land oder Flussrand (3) befestigtes Seil (6) gehalten wird und sich das Wasserrad (9, 19) durch Kräfte quer zur Strömung (2) entlang eines Kreisbogens mit dem Seil (6) als Radius in die Flussmitte bewegt.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren um mittels Fliessgewässern möglichst umweltfreundlich bei gutem Wirkungsgrad Strom zu erzeugen.

[0002] Konstruktionen dieser Art sind bereits bekannt, beispielsweise durch Turbinen welche in einem Trichtergehäuse in einem Fluss montiert sind, Laufradturbinen, Steffturbinen oder die neusten Entwicklungen bei Gezeitenkraftwerken.

[0003] Der Nachteil von solchen in der Regel axial beaufschlagenden Verfahren in Flüssen sind die relativ kleinen wassertiefenabhängigen Baugrössen und dem entsprechend schlechten Verhältnis vom Material Aufwand zum Ertrag.

[0004] Eine günstige Befestigung der Anlage und die Verschmutzung durch Schwemmgut sind weitere Probleme.

[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Maschine dazu anzugeben welche die genannten Nachteil nicht aufweist und möglichst wirtschaftlich, unscheinbar und mit kleinem Eingriff in die Natur Strom erzeugt.

[0006] Gegenstand dieser Erfindung ist eine Anlage mit möglichst grossen, günstigen Wirkflächen welche kaum verschmutzt werden einen optimalen Wirkungsgrad erzielen und einfach installiert, betrieben und gewartet werden können.

[0007] Flüsse sind in der Regel breiter als tief was für die Bauform der hier beschriebenen Technik berücksichtigt wird. Das wird erreicht indem eine tangential beaufschlagte Wasserturbine gebaut wird bei welcher der Durchmesser des Schaufelrades kleiner ist als die Länge der Achse.

[0008] Ein Vorteil dieser Bauform ist die Stabile Lage im Wasser bei einer schwimmenden oder schwebenden Anwendung.

[0009] Besonders vorteilhaft ist eine spiralförmige, gleichmässige Anordnung der Schaufelräder für eine konstante Kraftaufnahme.

[0010] Flüsse sind einem stetigen Wandel durch Geschiebe und Schwemmgut ausgesetzt, was besonders fest installierte Bauten belastet oder zerstört. Deshalb ist es vorteilhaft wenn eine Anlage zur Stromgewinnung schwimmt und durch das vermeiden von Vorsprüngen kein Schwemmgut hängen bleiben kann.

[0011] Gegenstand dieser Entwicklung ist eine Befestigung der Anlage mittels eines Seils welches durch den Staudruck der Anlage gespannt wird und sich dadurch aus dem Wasser hebt.

[0012] Wird das Seil aus dem Wasser gehoben, reduziert sich die Menge an Schwemmgut welches an der Anlage hängen bleiben kann und den Betrieb stört.

[0013] Als Seil kann direkt auch das Stromkabel verwendet werden.

[0014] Um die Anlage in einer guten Betriebsposition zu platzieren ist es zweckmässig, wenn die Turbine nicht am Rand sondern eher gegen die Flussmitte platziert wird.

[0015] Dies wird bei dieser Entwicklung dadurch erreicht, indem auf die sich im Wasser befindende Anlage am Seil eine Kraft quer zur Strömungsrichtung erzeugt wird.

[0016] Das Seil nimmt die Position vom Radius eines Kreises ein und die Kräfte quer zur Strömung wirken ungefähr tangential was ein Verschieben der Anlage auf der Kreisbahn zur Folge hat, bis sich ein Kräftegleichgewicht einstellt.

[0017] Das Kräftegleichgewicht vom Zug durch die Strömung auf die Anlage und die Kräfte die Tangential auf die Anlage wirken ergeben die Position der Anlage auf der Kreisbahn, oder anders ausgedrückt den Winkel zwischen den Vektoren der Strömungsrichtung und dem Befestigungsseil als Radius.

[0018] Die Kräfte die ungefähr in tangentialer Richtung wirken könne durch die Spiralform der Schaufelräder erzeugt werden, welche unter der Last vom Generator Widerstand aufbauen und dadurch die Turbine seitlich verschieben.

[0019] Ein besonderes Merkmal der Schaufelräder ist das je Schaufel eine durchgängige Oberfläche erzeugt wird, um das Hängenbleiben von Schwemmgut zu verhindern.

[0020] Das wird als eine Variante durch Speichen für die Stabilität erreicht, die beplankt werden, vorteilshaft auf der Anströmseite, mittels Blech oder einer Holzschalung.

[0021] Eine weitere Variante dazu ist ein hohles Rohr als spiralförmiger Auftriebskörper, der vorteilshaft entlang dem Aussenumfang, der Oberfläche vom Zylinder verläuft und nach innen mittels Holz oder Blech eine möglichst durchgängige Oberfläche bildet.

[0022] Wird bei der Anlage im Wasser das Befestigungsseil nicht im Schwerpunkt montiert, entsteht ebenfalls ein Kräfteungleichgewicht, die Anlage neigt sich und verschiebt sich entlang der Kreisbahn.

[0023] Eine weitere Variante zur Erzeugung dieser Kraft in tangentialer Richtung kann durch bauliche Massnahmen mit mindestens einer Art Steuerruder, oder einem Leitwerk erzeugt werden. Eine schräg zur Flussrichtung installierte Fläche, in diese Schrift als Leitwerk bezeichnet, versucht sich in Flussrichtung auszurichten oder seitlich zu verschieben, was bei dieser Technologie zur Positionierung der Anlage genutzt wird.

[0024] Der besondere Vorteil vom Leitwerk ist das nebst dem versetzen auf der Kreisbahn zusätzlich Wasser aufs Schaufelrad geleitet wird, und dadurch die Effizienz gesteigert wird.

[0025] Ein Schwimmer, oder ein Ungleichgewicht durch eine ungleichmässige Gewichtsverteilung sind weiter Möglichkeiten den Effekt der Verschiebung entlang vom Kreisbogen zu erzielen. Diverse weitere Verfahren sind Denkbar und werden hier nicht abschliessend benannt.

[0026] Gegenstand dieser Erfindung ist, dass mindestens eine Kraft oder eine Kombination der oben genannten Möglichkeiten angewendet werden um die Anlage in die gewünschte Betriebsposition auf der Kreisbahn zu platzieren.

[0027] Durch die Seillösung wird eine gewünschte Position der Anlage erreicht, ohne dass eine Konstruktion im Wasser oder dem Flussgrund benötigt wird, welche einer enormen Verschmutzung durch Schwemmgut ausgesetzt ist.

[0028] Wird die Querkraft durch die Spiralförmige Schaufelanordnung erreicht, welche die Anlage unter Last zur Flussmitte hin bewegt, kann bei Hochwasser der Strom für die Magnetspulen unterbrochen werden und die Anlage bewegt sich zurück ans Ufer in Sicherheit. Es können dazu auch spezielle Schutz-Vorrichtungen am Ufer erstellt werden um die Anlage vor anströmenden Fremdkörpern zu schützen.

[0029] Je mehr der Generator mit Last versorgt wird, umso grösser wird der Wiederstand und somit die Querkräfte und die Anlage verschiebt sich mehr zur Flussmitte wo in der Regel die Strömung am schnellsten ist.

[0030] Dadurch kann die Leistung, und in Abhängigkeit davon die Position gesteuert und optimiert werden.

[0031] Eine Variante die Schaufelräder schwimmend zu gestalten sind Wasserdicht verschlossene Röhren, welche sich auf den äusseren Kanten der Schaufelräder befinden und sich teilweise oder über die ganze Länge der Drehachse winden. Speichen zwischen dem äusseren Rohr und einem Rohr entlang der Drehachse können als Rahmenkonstruktion dienen um die Zwischenräume mit günstigem Material oder Blech zu füllen.

[0032] Materialbeispiele sind Gewebe, Stoffe, Folien, Bleche Platten aus Holz, Metall, Kunststoff etc.

[0033] Die Wasserdichten Röhren könne aus Metall, besonders Vorteilhaft aus Stahl, Aluminium, oder aus Kunststoff gefertigt werden. Die Röhren können sich an verschiedenen Stellen auf dem Schaufelrad befinden.

[0034] Anstelle von Röhren können auch Schläuche verbaut werden.

[0035] Besonders vorteilhaft für eine schwebende Anlage ist eine Dichte zwischen 0.6 und 1.2 kg/m<3>der Komponenten im Wasser, wobei durch den Anstellwinkel vom Vorbau die Anlage an der Wasseroberfläche gehalten wird.

[0036] Eine Dichte von 0.3 bis 0.6kg/dm<3>ist ideal für die schwimmende Lösung bei welcher ca. 50% der Anlage aus dem Wasser schaut, besonders die Nabe.

[0037] Ein weiterer besonders gut geeigneter Baustoff ist Holz, welches sich unter Wasser kaum zersetzt, sehr kostengünstig ist und kein Fremdmaterial in der natürlichen Umgebung von und in Flüssen darstellt. Auch die geringe Dichte von Holz ist optimal um eine schwimmende oder schwebende Konstruktion herzustellen.

[0038] Nebst der schwimmenden Konstruktion kann mit Holz eine schwebende Konstruktion erstellt werden, welche sich ganz unter Wasser befindet und das Turbinenrad ca. zur Hälfte durch einen Vorbau vor der anströmenden, die Drehrichtung behindernden Wassermasse geschützt wird. Der Vorbau dient auch als Schutz vor Schwemmgut, insbesondere ganzen Bäumen, die die Anlage zerstören könnten. Die Position im Gleichgewicht, am Seil, und durch das Holz ergeben eine Konstruktion die im Falle eines Aufpralls nachgibt und kaum zerstört wird.

[0039] Ein besonderer Vorteil der Anlage aus Holz ist, dass diese einfach und günstig durch Dübel Verbindungen repariert werden kann. Ein Verfahren zur Reparatur besteht darin, dass nasses aufgequollenes Holz gebohrt und mit trockenen Dübelt verbunden wird. Der Dübel quillt auf und bildet einen festen Verschluss. <tb>Fig. 1<SEP>zeigt schematisch ein Grundriss einer Anlage mit dem Fluss 1 der Strömungsrichtung als Pfeil dargestellt 2 dem Ufer 3 und 4 dem Befestigungspunkt vom Seil 5 das gespannte Seil 6, der Anlage im Wasser 7 mit exzentrischer Befestigung vom Seil 8, dem spiralförmigen Schaufelrad 9, dem Leitwerk 10 und der Laufbahn 1 lauf dem Kreis. <tb>Fig. 2<SEP>zeigt schematisch eine Anlage mit Spiralförmigen Schaufelrad 12, mit einem Vorbau zum Schutz vor anströmendem Wasser 13, dem Leitwerk 14 mit in Fliessrichtung ablaufenden Kanten 15 zum abweisen von Schwemmgut, Abweiser 16 für den Schutz der Welle und dem Generator. <tb>Fig. 3<SEP>zeigt schematisch eine andere Ansicht der Anlage von Fig. 2 mit einem Fach 17 zur Aufnahme von Gewichten zum Tarieren, einem Vorbau 18 nah am Rad für einen starken Kehrwassereffekt und dem Befestigungsseil 19 <tb>Fig. 4<SEP>zeigt schematisch eine Anlage in schwimmender Ausführung im Wasser 20 mit Spiralförmigen Schaufelrädern 21 zum Erzeugen der Kraft in tangentialer Richtung, einer Rohrkonstruktion als Auftriebskörper 22, dem Generator 23 und der Befestigung vom Seil 24 die nicht über die ganze Wellenlänge verläuft.

[0040] Ein Schaufelrad mit geraden Schaufeln wird nicht gezeigt.

[0041] Um die Effizienz der Anlage zu steigern, ist es denkbar den Fluss im Bereich der Anlage partiell zu stauen.

[0042] Finne oder Flügel welche ebenfalls zur Stabilisierung oder Positionierung der Konstruktion Verwendung finden, werden nicht gezeigt.

[0043] Mit den Finnen und Flügeln wird durch gezieltes Umlenken der Strömung die Leistung optimiert und verbessert. Das geschieht sowohl in Strömungsrichtung als auch quer dazu.

[0044] Eine Anordnung mit mehreren Schaufelrädern über und hintereinander wird nicht gezeigt.

[0045] Ein Schaufelrad mit optimierten Aussparungen für ein optimales Anströmen und abfliessen wird nicht gezeigt.

[0046] Damit sich das Schaufelrad bewegt, muss ein Kräfteungleichgewicht erstellt werden indem entweder die obere Hälfte vom Rad in der Luft steht, oder sich das Schaufelrad ganzheitlich im oder unter Wasser befindet wobei ein Teil der Schaufelradfläche durch einen Vorbau vom Druck des anströmenden Wasser geschützt wird.

[0047] Hinter einem Objekt welche sich in der Strömung befindet kann die Strömung komplett gestoppt werden oder sogar zum ändern der Strömungsrichtung gebracht werden, was im Wassersport als Kehrwasser bezeichnet wird. Das funktioniert sowohl horizontal wie beim Wassersport genutzt als auch vertikal und kann zur Unterstützung der Drehbewegung vom Schaufelrad genutzt werden. Aus diesem Grund wird als ein Gegenstand dieser Erfindung dieser Effekt vom Kehrwasser zur Unterstützung der Drehbewegung und zum Antreiben vom Schaufelrad angewendet.

[0048] Für den Kehrwassereffekt ist es besonders Günstig, den Vorbau oder ein Teil vom Vorbau möglichst nah ans Schaufelrad zu platzieren. Nah bedeutet ca. 1 bis 10 cm, mit an der Turbine zugewandter konkaver Oberfläche.

[0049] Zum Einspeisen ist es sinnvoll, den Strom von mehreren Aggregaten, welche sich entlang eines Flussabschnitts befinden, zusammenzusammeln, den Strom zu wandeln und dann in einen Netzpunkt einzuspeisen.

[0050] Mit einem Seil mit Sollbruchstelle kann die Anlage vor Beschädigung durch Treibholz, besonders ganzen Bäumen geschützt werden.

[0051] Der Generator wird mit Vorteil im geschützten Vorbau der Anlage installiert und mittels einer Kurbelwelle oder eines Zahnradgestänges, welches gerade eine Übersetzung beinhalten kann, mit dem Schaufelrad verbunden. Auch eine Montage des Generators direkt an der Nabe ist denkbar. Die Elektronik kann in einer Art Luftglocke oder und mit Fett geschützt werden oder die bekannten Schutzvorrichtungen für wasserdichte Motoren werden angewandt.

[0052] Das Schaufelrad kann je nach Umgebungsbedingung unterschiedlich ausgeführt werden wie beispielsweise mit einer gleichbleibenden Schaufelfläche über die gesamte Achse hinweg, mit Aussparung oder ganzen Unterbrüchen innerhalb der Anströmfläche und mit einzelnen Lamellen welche unter einem Winkel zum anströmenden Wasser stehen und dieses umlenken.

[0053] Auch Schaufelräder mit geraden Schaufelflächen sind denkbar, jedoch laufen diese etwas weniger gleichmässig.

[0054] Um den Druck auf die Anlage und den Wirkungsgrad zu verbessern wird bis im Bereich vom Schaufelrad der Flussquerschnitt gestaut. Durch die Verengung der Flussbreite wird entweder der Pegel erhöht, was mehr potentielle Energie an der Anlage zur Folge hat, oder und die Fliessgeschwindigkeit erhöht was ebenfalls eine erhöhte Energiedichte bei der Anlage zur Folge hat.

[0055] Als Baumaterial sind Massivholz, Holzwerkstoffe oder Holzwerkstoffplatten besonders gut geeignet, da Holz welches sich permanent im Süsswasser befindet, sich kaum zersetzt, das Material sehr kostengünstig, einfach zu bearbeiten, robust, flexibel und mit minimaler grauer Energie behaftet ist.

[0056] Das Holzmaterial eignet sich sowohl zur Konstruktion vom Schaufelrad als auch vom Vorbau und dem Ständer.

Claims (9)

1. Verfahren, Wasserrad oder Wasserturbine zur Erzeugung von Elektrizität in Fliessgewässern, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung durch mindestens einem mit dem Land verbundenen Seil 6 oder dem Elektrokabel erfolgt, welches durch die Anströmkräfte gespannt wird und durch ungefähr tangential zum Seil aufs Wasserrad wirkende Kräfte sich dieses entlang eines Kreisbogens 11 zur Flussmitte hin positioniert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangentialkräfte mindestens durch eine schräge oder spiralförmige Anordnung der Schaufelräder, oder durch eine exzentrische Montage von Befestigungsseil, oder durch mindestens ein Leitwerk oder einem Schwimmer oder einer Kombination der genannten Technologien erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserturbine, das Wasserrad schwimmend oder schwebend ausgeführt wird,

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das bei der Turbine die Drehachse länger ist als deren Durchmesser.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer schwebenden Konstruktion durch einen Vorbau ein Teil oder die Hälfte vom Turbinenrad vor anströmendem Wasser geschützt wird und dadurch eine Art Kehrwasser die Drehbewegung begünstigt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorbau durch dessen Geometrie und Anströmverhalten oder Gewichteinlagen zum Tarieren der Anlage verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Baumaterial Holz verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad mittels daran befestigten, wasserdicht verschlossenen Rohren oder Schläuchen zum Schwimmen gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Spannung vom Seil, sich dieses aus dem Wasser hebt und dadurch vor Verschmutzung durch Schwemmgut geschützt ist.