DE10049372A1 - Anlage zur Übertragung und Umwandlung von Energie durch Wasserkraft - Google Patents

Abstract

Anlage zur Umwandlung hydrodynamischer in mechanische Energie und/oder zur Energieübertragung unter Verwendung einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, mit einer Turbine und einem dies mit Flüssigkeit beaufschlagenden Kanal, wobei der Kanal eingangsseitig mit einer Pumpe beaufschlagt und eine Druckleitung ist und die Turbine auslassseitig über eine Rückführungsleitung mit dem Einlass der Pumpe in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung hydrodynamischer in mechanischer Energie und/oder zur Energieübertragung unter Ver­ wendung einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, mit einer Turbine und einem diese mit Flüssigkeit beaufschlagenden Kanal.

Allgemein bekannt ist das Prinzip des Wasserkraftwerkes, bei dem ein durch ein Gefälle in entsprechende Geschwindigkeit, d. h. kinetische Energie umgewandelter Wasserstrom auf eine Turbine trifft und dort die hydrodynamische Energie in mechanische Rotationsenergie umwan­ delt. In der Regel wird die Energie an einen abtriebsseitig angeordneten Generator zur Stromerzeugung weitergegeben. Die dynamische Ener­ gie des Wassers wird also in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt. Voraussetzung ist ein ausreichendes Wasserreservoir vor Ort mit einer dem Kraftwerk vorgeschalteten Gefällestrecke, durch welche die zugeführte Wassermenge entsprechend beschleunigt und mit kinetischer Energie beaufschlagt wird. Ein vergleichbares Prinzip wird bei den Radturbinenkraftwerken (Mühlräder) zur Anwendung ge­ bracht, bei dem die einzelnen Schaufeln entweder in ein fließendes Gewässer eintauchen (unterschlächtig) oder im Bereich des oberen Scheitelpunktes mit fließendem Wasser beaufschlagt werden (ober­ schlächtig). In beiden Anwendungsfällen wird irreversibel und bei konti­ nuierlichem Betrieb eine im wesentlichen konstante Energiemenge pro Zeit umgesetzt. Bei einer einen intermittierenden Betrieb zulassende Antriebsanlage, wie sie aus der DE-PS 15 03 276 bekannt ist, wird ein mit der Flüssigkeit teilweise gefüllter Vorratsbehälter durch einen Gas­ druck beaufschlagt, so dass ausgangsseitig die Flüssigkeit mit entspre­ chend hoher Geschwindigkeit nach Beaufschlagung einer Flüssigkeits­ turbine in einen Auffangbehälter niedrigen Druckes abströmt und hier­ durch mechanische Energie erzeugt. Die Beschleunigung der antrei­ benden Flüssigkeit erfolgt also durch Beaufschlagung mit einem Gas­ überdruck, der bei Energiebedarf zugeschaltet wird. Nach einem ähnli­ chen Prinzip arbeitet die in der DE 34 13 617 A1 offenbarte Vorrichtung, bei der als Druckmittel zur Beschleunigung der austretenden Flüssig­ keitsmenge Wasser vorgeschlagen wird. Dabei werden die in Reihe geschalteten Flüssigkeitsbehälter sukzessive durch das Druckmittel beaufschlagt und der Strömungsmaschine zugeführt.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung einer Anlage zur Aufgabe gemacht, bei welcher der Antrieb der Turbine bei Bedarf und in intermittierender Weise erfolgt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Kanal eingangsseitig mit einer Pumpe beaufschlagt und eine Druckleitung ist und die Turbine auslassseitig über eine Rückführungsleitung mit dem Einlass der Pumpe in Verbindung steht.

In seinem prinzipiellen Aufbau besteht die Anlage aus einem mit Flüs­ sigkeit und vorzugsweise Wasser befüllten Kanal, der eingangsseitig über eine Pumpe beaufschlagt wird und auslassseitig mit einer Turbine in Verbindung steht. Dabei ist der Abstand zwischen Pumpe und Turbi­ ne grundsätzlich beliebig, so dass die vorgeschlagene Anlage zur Über­ tragung von Energie genutzt werden kann. Zum anderen besteht die Möglichkeit nach Art eines entkuppelten Getriebes Drehmomente an der Pumpenseite in ein Drehmoment entsprechender Größe auf der Abtriebsseite der Turbine umzuwandeln. Dabei bestimmt das Verhältnis des Querschnittes der Pumpe zu dem der Turbine aus der Kontinuitäts­ bedingung der strömenden Flüssigkeit das jeweilige Verhältnis der Drehzahlen von Pumpe bzw. Turbine zueinander und demzufolge auch das entsprechende Drehmoment. Der Begriff "Pumpe" ist im Sinne der Erfindung weit auszulegen und umfasst neben den sich in erster Linie hier eignenden Axial- und Radialpumpen, alle anderen Arten von Pum­ pen. Ebenso umfasst der Begriff Turbinen alle Flüssigkeitsturbinen - im Gegensatz zu Dampfturbinen - im weitesten Sinne, wobei hier Schau­ felturbinen als besonders geeignet erscheinen.

Die Funktionsweise der Anlage ist wie folgt: Mit Hilfe der Pumpe wird die Flüssigkeit in Bewegung gesetzt und über einen Kanal der Turbine zur Beaufschlagung zugeführt. Dort wird in an sich bekannter Weise die kinetische Energie der Flüssigkeit in mechanische Rotationsenergie umgesetzt. Diese kann in beliebiger Weise beispielsweise zum Antrieb eines Generators oder zur Beaufschlagung eines Fahrzeuggetriebes eingesetzt werden. Auslassseitig wird an der Turbine die Flüssigkeit druckentlastet, z. B. unter Atmosphärendruck abgegeben. Die Flüssig­ keit wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt, d. h. die abgangs­ seitig aus der Turbine austretende Flüssigkeit wird zum Einlaß der Tur­ bine zurückgeführt. Einer der entscheidenden Vorteile ist, dass die um­ laufende Flüssigkeit weitgehend frei von Gas, also z. B. Lufteinschlüs­ sen gehalten werden kann, welche zu Kompressibilität des umlaufen­ den Flüssigkeits-Gas-Gemisches Anlaß gibt und somit Verluste in der Energieübertragung bedeutet.

Entscheidend ist, dass die vorgeschlagene Anlage zur Übertragung von Energie über den durch die Pumpe und die Turbine definierten und mit­ unter streckenmäßig großen Abstand aber auch zur mechanisch­ hydrodynamischen Umwandlung von Drehmomenten eingesetzt wer­ den kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die gesamte Anlage zu keinerlei Umweltbelastungen führt und insbesondere bei geschlos­ senem Wasserkreislauf völlig emissionsfrei ist.

Wie bereits zum Stande der Technik erwähnt, wird die durch Turbinen gewonnene mechanische Energie häufig zum Antrieb eines Generators und damit zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt. In einer vorteil­ haften Weiterbildung wird deshalb ein Generator abtriebsseitig an die Turbine angeschlossen. Die jeweils zur Verfügung gestellte Energie wird zumindest teilweise zur Versorgung der Pumpe als einzigem eine Energiezufuhr benötigenden Teil der Anlage eingesetzt und zur Verfü­ gung gestellt. Abschätzungen haben gezeigt, dass bei einer derart in sich geschlossene, d. h. autark arbeitende Anlage ein hoher Wirkungs­ grad nämlich von 78 bis 85% erreichbar sein wird.

Neben der durch die Pumpe erzeugten kinetischen Energie lässt sich zusätzlich die potentielle Energie benutzen, in dem ein Vorratsbehälter der Flüssigkeit in Richtung der Schwerkraft oberhalb der Turbine ange­ ordnet wird. Die auslassseitig die Turbine verlassende Flüssigkeit kann dann durch einen Unterdruck in diesen Behälter angesaugt und damit ohne Energie von außen in den Behälter transportiert werden.

Optimale Verhältnisse liegen dann vor, wenn die aus dem Unterdruck­ behälter und die durch die Pumpe beförderte Menge gleich ist und in synchroner Weise erfolgt, d. h. dass die in einem bestimmten Zeitpunkt aus dem Unterdruckbehälter abgezogene Flüssigkeit (die gleichzeitig der Menge der am Auslass der Turbine angesaugten Flüssigkeitsmen­ ge entspricht) gleich ist, der in diesem Zeitpunkt durch die Pumpe be­ förderten Flüssigkeitsmenge.

Bevorzugtes Ziel ist, die einzelnen Stationen der Anlage derartig mit­ einander zu vernetzen, dass die Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Die durch die Pumpe an die Turbine weitergege­ bene Flüssigkeit wird durch deren Durchlaufen vollständig zurückge­ führt in einen Vorratsbehälter, der von seiner Seite die Pumpe wieder­ um mit Flüssigkeit versorgt. Es entsteht dann ein in sich geschlossener Kreislauf.

Wenn man nun als weitere Maßnahme im Falle eines geschlossenen Kreislaufes vorsieht, dass der Austausch der Flüssigkeit zwischen den benachbarten Stationen in gleicher Menge und zeitlich synchron erfolgt, d. h. dass die von einer Station abgegebene Flüssigkeitsmenge derje­ nigen entspricht, die sie aufnimmt und diese Abgabe/Aufnahme zeitlich synchron erfolgt, erhält man zum Ergebnis, dass alle Stationen wäh­ rend jeder Betriebsphase stets die gleiche konstante Wassermenge aufweisen. Man erhält also einen kontinuierlichen Kreislauf der Flüssig­ keit ohne dass nennenswerte Energie aufgewandt werden muß.

Gleichzeitig ist sichergestellt, dass - sofern überhaupt vorhanden - die mit Unterdruck- oder Überdruck beaufschlagten Gaspolster einer Stati­ on während jeder Betriebsphase erhalten bleiben.

Wie bereits oben erläutert kann durch den Unterdruck in einem Behälter das Ansaugen der Flüssigkeit erfolgen. Besonders bevorzugt ist jedoch, in einem Behälter ein Gaspolster vorzusehen, dass zum einen an der Flüssigkeit angrenzt und unter Überdruck steht. Wenn dann noch der Behälterauslass dem Gasvolumen im wesentlichen gegenüberliegt, d. h. dass die Flüssigkeit und nicht das Gas in den Behälterauslass beauf­ schlagt, erreicht man, dass die Flüssigkeit unter entsprechenden Druck und demzufolge mit entsprechend hoher Geschwindigkeit aus dem Be­ hälter austritt. In Abhängigkeit vom eingestellten Gasdruck lässt sich die Beschleunigung und die Geschwindigkeit der austretenden Flüssigkeit einstellen und variieren.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die Verwendung eingängiger oder zweigängiger Dosier-Schnecken als Pumpen vorgeschlagen. Die einlassseitig aufgenommene Flüssigkeit wird über die Wendel der Schnecke nach Art eines Extruders in axialer Richtung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebsachse beschleunigt und in den sich ko­ axial anschließenden Kanal abgegeben. Die Verwendung einer zwei­ gängigen Schnecke meint gemäß üblicher Termologie die Aufbringung zweier gegeneinander versetzte Spiralen auf die Achse, so dass bei einem Schnitt senkrecht zur Achse und bei Äquidistanz beider Spiralen als Schnittflächen zwei einander auf der Achse gegenüber liegende Geraden gebildet werden. Bei zwei Spiralen erhöht sich das Fördervo­ lumen bei einer Umdrehung wesentlich. Der entscheidende Vorteil einer Dosier-Schnecke ist, dass sie Druckdifferenzen zwischen Ein- und Aus­ lass aufrecht zu erhalten gestattet. Im Regelfall wird der auslassseitige und zur Turbine führende Druck wesentlich höher sein, als der am Ein­ lass befindliche Punkt. Eine andere Lösung, die gleichermaßen die Be­ förderung, aber auch die Aufrechterhaltung eines Differenzdruckes er­ laubt ist die Verwendung einer Zellenradschleuse.

Grundsätzlich denkbar ist, dass in dem Kanal zwischen Pumpe und Turbine aber auch im einlassseitigen Behälter der Pumpe Gaspolster mit eingeschlossen sein können. Hierdurch wird ein Druckausgleich bei verschiedenen Betriebszuständen des Systems der Anlage bewirkt. Andererseits haben Gaspolster innerhalb des geschlossenen Systems Pumpe-Kanal-Turbine den Nachteil, dass in der Flüssigkeit Gaspartikel mitgerissen werden, die die oben bereits geschilderten Nachteile bewir­ ken können.

Bei entsprechend hohem leistungsintensiven Betrieb der Anlage kommt es zur Erwärmung der umlaufenden Flüssigkeit und demzufolge zu ei­ ner Änderung des Eigenvolumens. Um hier einen Ausgleich zu schaf­ fen, lässt sich ein Puffer geeigneter Konstruktion einsetzen oder eine Kühlung der Flüssigkeit zur Konstanthaltung von deren Eigentempera­ tur einsetzen.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung versorgt die Pumpe über separa­ te Kanäle mehrere Turbinen. Es ist eine Anwendung denkbar, bei der die Energieversorgung separater Gebäude mit Strom in der Weise er­ folgt, dass jedes Gebäude eine eigene Turbine erhält, die über eine gemeinsame Pumpstation, jedoch mit individueller Zuleitung versorgt werden. Die Turbine dient dem Antrieb eines Generators und damit der Stromversorgung des Gebäudes.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteile entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipsskizze der erfindungsgemäßen Anlage in Seitenansicht.

Kernstück der Anlage ist, die hier als Schneckenpumpe wiedergegebe­ ne Pumpe (1) und die hierdurch mit Flüssigkeit beaufschlagte Turbine (2). Sie steht ihrerseits mit dem Generator (3) in Verbindung und wird über den Kanal (4) mit Flüssigkeit versorgt. Am Auslaß der Turbine (2) besteht eine vertikale Verbindung zu dem oberhalb angeordneten Va­ kuumbehälter (5), der in seinem unteren Bereich mit Flüssigkeit gefüllt ist und dessen darüber befindliches Volumen mit Vakuum beaufschlagt ist.

Von dort gelangt die Flüssigkeit zu dem die Pumpe (1) einlassseitig versorgenden Zwischenbehälter (6).

Die Wirkungsweise ist wie folgt:
Die Pumpe (1) erzeugt entsprechend ihrer Leistung einen Förderstrom der von dort über einen Kanal (4) zur Turbine (2) gelangt und diese an­ treibt. Diese stellt die mechanische Energie zum Antrieb des Genera­ tors (3) zur Verfügung, der den erzeugten Strom zumindest teilweise für den Antrieb der Pumpe (1) nutzt. An der Auslassseite der Turbine (2) gelangt dann durch die verbleibende kinetische Energie bzw. durch das Vakuum im Vakuumbehälter (5) die Flüssigkeit im Wege des Ansau­ gens über die vertikale Steigleitung bis in diesen Bereich, wo sie durch eine entsprechende Verbindung und gesteuert über ein Ventil in den Zwischenbehälter (6) gelangt, der seinerseits wiederum der Versorgung der Pumpe (1) dient. Im Ergebnis erhält man einen geschlossenen Kreislauf für die Flüssigkeit.

Durch den nahezu beliebig wählbaren Abstand zwischen Pumpe (1) und Turbine (2) d. h. bei weitgehend beliebiger Länge des der Versor­ gung dienenden Kanal (4) (und auch der rückführenden Verbindung) ist eine Übertragung der Energie über große, lediglich durch die Rei­ bungsverluste bestimmte Strecken möglich.

Claims (11)

1. Anlage zur Umwandlung hydrodynamischer in mechanischer Energie und/oder zur Energieübertragung unter Verwendung einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, mit einer Turbine und einem diese mit Flüssig­ keit beaufschlagenden Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass der Ka­ nal eingangsseitig mit einer Pumpe beaufschlagt und eine Druckleitung ist und die Turbine auslassseitig über eine Rückführungsleitung mit dem Einlass der Pumpe in Verbindung steht.

2. Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tur­ bine mit einem Generator antriebsgemäß in Verbindung steht und die gewonnene elektrische Energie zumindest teilweise zur Versorgung der Pumpe genutzt wird.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbine auslaßseitig und in Schwerkraft Richtung oberhalb der Turbine ein Behälter zugeordnet ist, der teilweise mit Flüssigkeit und das restli­ che Volumen mit Unterdruck beaufschlagt ist.

4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Fördermenge der Pumpe sowie die zugeführte Flüssigkeitsmenge aus dem Unterdruckbehälter mengenmäßig syn­ chron erfolgt.

5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Austausch der Flüssigkeitsmenge zwischen den einzelnen Stationen der Anlage in einem geschlossenen Kreislauf erfolgt.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aus­ tausch der Flüssigkeit zwischen benachbarten Stationen in gleicher Menge und zeitlich synchron erfolgt.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass in einem Behälter ein unter Überdruck stehendes und an die Flüssigkeit angrenzendes Gasvolumen eingeschlossen ist, das dem Behälterauslaß im wesentlichen gegenüberliegt.

8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Pumpe eine ein- oder zweigängige Dosier-Schnecke oder eine Zellenradschleuse ist.

9. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass im Flüssigkeitskreislauf ein Gaspolster vorhanden ist.

10. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Flüssigkeit während des Betriebes durch eine Kühlung auf konstanter Temperatur gehalten wird und/oder ein Puffer­ volumen für die Flüssigkeit vorgesehen ist.

11. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine einzige Pumpe mehrere Turbinen gleichzeitig beaufschlagt.