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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung elektrischer
Energie aus Wasserkraft umfassend eine in einem Gewässer
unter der Wasseroberfläche angeordnete von diesem Gewässer
gespeiste Zuflussleitung, wenigstens eine von dem zufließenden
Wasser beaufschlagte Einrichtung, die die mechanische Energie des
zufließenden Wassers in elektrische Energie umwandelt,
wenigstens eine Wasserauffangeinheit, in die das zufließende
Wasser gelangt, sowie wenigstens eine Pumpvorrichtung, um das Wasser
aus der Wasserauffangeinheit zurück in das Gewässer
zu pumpen.
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Aus
der
DE 42 21 657 A1 ist
eine Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie mit den eingangs genannten
Merkmalen bekannt. Bei dieser bekannten Lösung wird vorgeschlagen,
eine Wasserturbinenanlage in einem tiefen Gewässer auf
dem Gewässerboden zu platzieren. Aus dem Gewässer strömt
aufgrund des hydrostatischen Drucks Wasser über ein Zulaufrohr
zu einem Turbinenrad, welches dadurch angetrieben wird und Strom
erzeugt. Das Wasser gelangt dann in ein Auffangbecken, welches unterhalb
der Turbine liegt, wird dort aufgefangen und dann mit Hilfe von
Pumpen zur Wasseroberfläche zurückgepumpt. Diese
bekannte Anlage basiert bereits auf der grundlegenden Idee, eine
Einrichtung zur Erzeugung von Energie aus Wasserkraft unabhängig
von den klimatischen Bedingungen zu machen, das heißt,
dass anders als bei einem herkömmlichen Wasserkraftwerk
mit Staudamm, bei dem der Betrieb vom jeweiligen Anfall an Niederschlagswasser
abhängig ist, dieses gleichmäßig und
kontinuierlich betrieben werden kann.
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Diese
bekannte Anlage weist jedoch keine gute Energiebilanz auf. Durch
die Kraft des in dem Zulaufrohr abwärts strömenden
Wassers wird die Turbine angetrieben und Strom erzeugt. Um anschließend
das Wasser vom Boden des Gewässers wieder an die Wasseroberfläche
zurück zu pumpen wird die elektrische Energie wieder verbraucht.
Das System soll dadurch wirtschaftlich werden, dass der erzeugte
Strom zu Spitzenzeiten zu hohen Preisen verkauft wird und zum Hochpumpen
des Wassers an die Oberfläche billiger Nachtstrom eingesetzt
wird. Hier wird bereits deutlich, dass dies dem angestrebten Ziel
einer kontinuierli chen Arbeitsweise widerspricht. Bei der bekannten
Anlage ist weiterhin nachteilig, dass die Turbine in einem Gehäuse
in großer Tiefe in Nähe des Gewässergrunds
angeordnet ist und damit für Wartungsarbeiten nur sehr
schlecht zugänglich ist.
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Grundsätzlich
ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, Turbinen zur Erzeugung
von elektrischer Energie aus Wasserkraft direkt in einem Fallrohr
unterzubringen. Die
DE
101 60 916 A1 beschreibt ein solches Strömungsrohr,
innerhalb dessen eine Turbine angeordnet ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anlage zur Erzeugung von
elektrischer Energie aus Wasserkraft zur Verfügung zu stellen,
bei der eine gleichmäßige kontinuierliche Gewinnung
der Energie mit höherem Wirkungsgrad und unabhängig von äußeren
Faktoren wie beispielsweise anfallendem Niederschlagswasser möglich
ist.
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Die
Lösung dieser Aufgabe liefert eine Anlage zur Erzeugung
elektrischer Energie aus Wasserkraft der eingangs genannten Gattung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt zur Lösung der vorgenannten
Aufgabe vor, dass als Pumpvorrichtung wenigstens eine der Wasserauffangeinheit
zugeordnete Kolben-Zylinder-Einheit dient, mit wenigstens einem
innerhalb eines Zylinders axial beweglichen Kolben, bei dessen Bewegung
das Wasser durch in der Wandung des Zylinders vorgesehene Öffnungen
zurück in das Gewässer pumpbar ist.
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Der
Arbeitshub der Kolben dieser Kolben-Zylinder-Einheiten kann beispielsweise über
einen hydraulischen Antrieb erfolgen. Es ist auch möglich, beispielsweise
einen Kolben im Zylinder bevorzugt in beide Richtungen über
einen Antrieb umfassend beispielsweise Zugelemente wie Zugseile
oder dergleichen zu bewegen, das heißt hin- und her zu
bewegen.
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Gemäß einer
möglichen bevorzugten Ausführungsvariante der
Erfindung können Kolben mit teleskopierend ausfahrbaren
Segmenten verwendet werden, wobei die teleskopierend ausfahrbaren
Segmente der Kolben beispielsweise hydraulisch ausfahrbar sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann man beispielsweise
vorsehen, dass wenigstens zwei Kolben-Zylinder-Einheiten vorhanden
sind, deren Kolben sich in unterschiedlichen Arbeitsphasen bewegen.
Dies hat den Vorteil, dass kontinuierlich aus dem Wasserauffangbehälter
Wasser abgepumpt wird, da dann, wenn sich die eine Kolben-Zylinder-Einheit
in der Pumpphase befindet, eine andere Kolben-Zylinder-Einheit sich
in der Zuflussphase befindet. Mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten
können beispielsweise parallel zueinander angeordnet sein.
Vorzugsweise sind die Kolben-Zylinder-Einheiten in der Anlage jeweils
etwa horizontal angeordnet.
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Weiterhin
ist es besonders vorteilhaft, wenn in einem Zylinder jeder Kolben-Zylinder-Einheit
jeweils zwei sich gegenläufig aufeinander zu und auseinander
bewegende Kolben angeordnet sind. In der Pumpphase bewegen sich
dabei vorzugsweise die beiden Kolben aufeinander zu und in der Zuflussphase
bewegen sich die beiden Kolben der gleichen Kolben-Zylinder-Einheit
voneinander weg, also nach außen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann beispielsweise die
Wasserauffangeinheit mindestens zwei etwa horizontal angeordnete Kolben-Zylinder-Einheiten
umfassen mit wenigstens jeweils einer verschließbaren Zuflussleitung
für Wasser, die in einem mittleren Bereich zwischen den
im Zylinder gegenläufig zueinander beweglichen Kolben in
das Innere des Zylinders mündet, so dass sich in einer
Zuflussphase der Hohlraum im Zylinder zwischen den beiden Kolben
mit Wasser füllt und die beiden Kolben nach außen
drängt, wobei in dem mittleren Bereich weiterhin wenigstens
eine verschließbare Abflussleitung vorgesehen ist, durch
die in der Pumpphase bei sich aufeinander zu bewegenden Kolben Wasser
aus dem jeweiligen Zylinder heraus in das Gewässer pumpbar
ist. Der Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheit ist dabei stirnseitig
jenseits der Kolben jeweils nach außen zum Gewässer
hin offen, so dass in der Zuflussphase die Bewegung der beiden Kolben
nach außen jeweils gegen den hydrostatischen Druck, der
in dieser Tiefe des Gewässers herrscht, erfolgen muss,
wozu die Bewegung der Kolben durch einen geeigneten Antrieb, der
an diesen angreift, unterstützt wird. Beim Rückhub
in der Pumpphase, in der sich die beiden Kolben aufeinander zu nach
innen hin bewegen, wird jedoch die Bewegung der Kolben durch den
von außen auf diese wirkenden hydrostatischen Druck unterstützt,
da dieser höher ist als der Druck im Hohlraum des Zylinders zwischen
den beiden Kolben.
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Anders
als in dem eingangs genannten Stand der Technik ergibt sich für
die erfindungsgemäße Anlage eine wesentlich bessere
Energiebilanz, denn es muss zum einen nicht das Wasser auf die Ausgangshöhe
zurückgepumpt werden, wozu ja praktisch die zuvor aus Wasserkraft
gewonnene Energie wieder verbraucht würde, sondern es wird
vielmehr nur durch die Öffnungen in der Wandung der Kolben-Zylinder-Einheit
auf gleicher Höhe von innen nach außen gepumpt.
Zum anderen kann ein Teil der durch das in die Wasserauffangeinheit über
die Zuflussleitung zufließende Wasser gewonnenen Energie
eingesetzt werden, beispielsweise um einen Elektromotor einer Hydraulikpumpe
zu betreiben, so dass man letztlich für den Antrieb der
Kolben mindestens teilweise Energie einsetzt, die im System erzeugt
wird und hier nicht ausschließlich Fremdenergie eingesetzt
werden muss.
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Man
kann bei der Konzeption einer erfindungsgemäßen
Anlage beispielsweise wie folgt vorgehen. In einem Gewässer
von möglichst nicht zu geringer Tiefe ordnet man eine Zuflussleitung
an. Als Zuflussleitung dient beispielsweise ein Rohr mit Gefälle,
welches an seinem einen unteren Ende in die Wasserauffangeinheit
mündet. Diese Zuflussleitung ist in dem Gewässer
verlegt und ist an ihrem anderen oberen Ende offen, so dass Wasser
aus dem Gewässer in das offene Ende der Zuflussleitung
fließt. Dieses andere offene Ende kann beispielsweise eine trichterförmige
Erweiterung haben, um den Zustrom des Wassers zu vereinfachen, und
es endet in einer ausreichenden Höhe unter dem Wasserspiegel
des Gewässers, so dass das Wasser unter dem entsprechenden
Druck gemäß dem dort herrschenden hydrostatischen
Druck in die Zuflussleitung eintritt.
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Das
zufließende Wasser gelangt in die Wasserauffangeinheit
und beispielsweise über ein Rohrleitungssystem, welches
mit einer bzw. bevorzugt mehreren Kolben-Zylinder-Einheiten in Verbindung steht,
in das Innere der Zylinder dieser Kolben-Zylinder-Einheiten, von
wo aus über die beweglichen Kolben wiederum das Wasser
kontinuierlich aus dem Wasserauffangeinheit herausgepumpt wird.
Bei der Auseinanderbewegung der Kolben, welche der Zuflussphase
entspricht, wird der Hohlraum im Zylinder gefüllt und beim
Rückhub bewegen sich die beiden Kolben aufeinander zu ,
was der Pumpphase entspricht, in der das Wasser aus dem Hohlraum
der Zylinder zurück in das Gewässer gepumpt wird.
Wenn bei mindestens zwei vorgesehenen Kolben-Zylinder-Einheiten
die Kolben der einen sich in der Zuflussphase befinden und diejenigen
der anderen sich in der Pumpphase befinden, wird kontinuierlich
Wasser aus der Wasserauffangeinheit gepumpt und das System kann
folglich kontinuierlich arbeiten.
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Da
es sich um ein größeres Gewässer handelt,
läuft aus der Zuflussleitung stets Wasser in die Auffangeinheit
nach. Idealerweise ist die Kapazität der Pumpvorrichtung
so berechnet, dass in einer Zeiteinheit genau die Menge an Wasser,
die in die Auffangeinheit zufließt, auch wieder aus dieser
heraus gepumpt wird, so dass sich eine Art Gleichgewicht ergibt.
Länge und Gefälle sowie Durchmesser der Zuflussleitung,
die den Druck in der Zuflussleitung und die zufließende
Wassermenge bestimmen und Größe und Anzahl der
Kolben-Zylinder-Einheiten und somit Pumpkapazität der Pumpvorrichtung
können entsprechend berechnet und aufeinander abgestimmt
werden, so dass sich ein gleichmäßiger Betrieb
der Anlage ergibt. Solange das Gewässer ausreichend tief
ist und der Wasserspiegel im Gewässer nicht zu stark absinkt,
ist die Anlage von den äußeren Witterungsbedingungen
und zufließendem Niederschlagswasser unabhängig.
Wenn das Gewässer ausreichend groß ist, wirkt
sich auch eine Trockenperiode kaum aus. Bei einem Absinken des Pegels
sinkt der hydrostatische Druck in der Zuflussleitung zwar etwas,
aber die übrigen Parameter der Anlage können entsprechend
angepasst werden.
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Der
Pumpvorgang in den Kolben-Zylinder-Einheiten erfolgt in einiger
Tiefe unterhalb des Wasserspiegels des Gewässers. Demgemäß muss der
durch die Kolben der Kolben-Zylinder-Einheiten in der Pumpphase
erzeugte Druck auf das zu verdrängende Wasser so groß sein,
dass er den hydrostatischen Druck, der außerhalb des Systems
im Gewässer herrscht, übersteigt, so dass das
Wasser problemlos durch Öffnungen in der Wandung des Zylinders
nach außen in das Gewässer gepumpt werden kann.
Es werden deshalb die zuvor genannten Kolben-Zylinder-Einheiten
für den Pumpvorgang verwendet, da mittels dieser hohe Kräfte
aufgebracht werden können und große Wasservolumina
in kurzer Zeit aus der Wasserauffangeinheit herausgepumpt werden
können.
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Vorzugsweise
sind im Bereich der Öffnungen der Zuflussleitung zum Zylinder
und der Öffnungen zur Abflussleitung jeweils periodisch
verschließbare einseitig sperrende Einrichtungen vorgesehen,
die einen Rückstrom des Wassers entgegen der Zuflussrichtung
bzw. Abflussrichtung verhindern, insbesondere in einer Richtung
sperrende Klappen oder Ventile, so dass in der Zuflussphase Wasser
nur aus der Zuflussleitung in den Zylinder, aber nicht in umgekehrter
Richtung fließen kann. In dieser Phase sind die Öffnungen
zur Abflussleitung geschlossen. In der Pumpphase schließt
sich die Öffnung von der Zuflussleitung zum Zylinder und
die Öffnung zur Abflussleitung öffnet sich, sobald
der Druck im Inneren des Zylinders durch die Bewegung der Kolben
einwärts den hydrostatischen Druck außerhalb des
Zylinders übersteigt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten
für den Pumpvorgang verwendet, die sich in jeweils unterschiedlichen
Arbeitsphasen befinden, so dass in dem für den Rückhub
des einen Kolbens erforderlichen Zeitraum einer oder mehrere andere Kolben
weiter Wasser aus dem System pumpen, so dass der Pumpvorgang insgesamt
gleichmäßig ablaufen kann und kein Wasser in der
Auffangeinheit oder der Zuflussleitung aufgestaut wird.
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Die
Einrichtung zur Erzeugung der elektrischen Energie aus Wasserkraft
umfasst bevorzugt wenigstens eine Turbine in der Zuflussleitung,
welche stromaufwärts des Eintritts der Zuflussleitung in die
Wasserauffangeinheit angeordnet ist. Die elektrische Energie wird
also erfindungsgemäß bevorzugt mindestens teilweise
oberhalb des Niveaus erzeugt, an dem das Wasser in die Kolben-Zylinder-Einheiten gelangt.
Man kann beispielsweise die Zuflussleitung in dem Gewässer
so verlegen, dass sie stromabwärts von ihrem zum Gewässer
hin offenen Eintrittsende in einem Bogen nach oben geführt
wird, beispielsweise bis in das Niveau des Wasserspiegels oder darüber hinaus,
so dass man dort in der Zuflussleitung quasi im Bereich des Scheitelpunkts
Turbinen anordnen kann. Im Falle einer Wartung sind dann diese Turbinen
sogar oberirdisch zugänglich, was Wartungsarbeiten erheblich
vereinfacht. Da die Zuflussleitung eine geschlossene Röhre
darstellt, in der ein Wasserdruck entsprechend ihrem Gesamtgefälle
herrscht, ist eine solche Führung im Bogen ohne weiteres möglich.
Die Zuflussleitung muss auch nicht unbedingt nur innerhalb des Gewässers
verlegt sein, sondern könnte beispielsweise auch abschnittsweise
in einem Uferbereich oder über Land verlegt sein.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung
elektrischer Energie aus Wasserkraft, insbesondere unter Verwendung
einer Anlage der zuvor beschriebenen Art, bei dem man in einer Zuflussleitung,
deren eines Ende offen ist und in einem Gewässer mit Abstand unter
der Wasseroberfläche angeordnet ist, so dass die Zuflussleitung
von diesem Gewässer gespeist wird, wenigstens eine von
dem zufließenden Wasser beaufschlagte Einrichtung anordnet,
die die mechanische Energie des zufließenden Wassers in
elektrische Energie umwandelt, wobei das andere Ende der Zuflussleitung
in wenigstens eine in dem Gewässer angeordnete Wasserauffangeinheit
mündet, wobei man das zufließende Wasser mittels
einer Pumpvorrichtung umfassend Kolben-Zylinder-Einheiten aus der
Wasserauffangeinheit gegen den hydrostatischen Druck zurück
in das Gewässer pumpt.
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Die
in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Detailbeschreibung.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine
schematisch vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen
Anlage;
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2 eine
schematisch vereinfachte Darstellung eines beispielhaften Antriebssystems
zur Erzeugung der Zugkraft für die Bewegung des Kolbens bei
einer Anlage gemäß 1;
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3 einen
schematisch vereinfachten vertikalen Schnitt durch eine Kolben-Zylinder-Einheit
gemäß einer alternativen Bauvariante mit zwei
teleskopierenden Kolben;
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4 eine
Ansicht einer Anordnung mit mehreren Kolben-Zylinder-Einheiten mit
je zwei Kolben in verschiedenen Arbeitsphasen gemäß einer beispielhaften
alternativen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
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Es
wird zunächst auf 1 Bezug
genommen und anhand dieser die grundlegende Funktionsweise einer
erfindungsgemäßen Anlage erläutert. Es ist
darauf hinzuweisen, dass in 1 Teile
des Antriebs zur Erzeugung der Zugkraft für die Bewegung des
Kolbens nicht dargestellt sind. Die Anlage umfasst eine auf der
Wasseroberfläche 10 eines Gewässers 15 schwimmende
Plattform 30, in der ein Behälter 12 einer
Wasserauffangeinheit 11 verankert ist. Dieser als Wasserauffangbecken
dienende Behälter 12 kann beispielsweise zylindrisch
sein, weist eine Behälterwandung auf und ist nach oben
hin offen. Er ist an der Plattform 30 so angebracht, dass
er den Wasserspiegel 10 des ihn umgebenden Gewässers 15 so
weit überragt, dass kein Wasser über den oberen
Rand der Wandung in den Behälter 12 laufen kann.
Der Behälter hat einen Durchmesser D von beispielsweise
10 m bis 30 m und eine Tiefe von beispielsweise 50 m bis 100 m.
Die Darstellung ist nicht maßstabsgerecht und soll nur
das Prinzip erläutern.
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Die
Anlage umfasst weiterhin mit dem Behälter 12 der
Wasserauffangeinheit 11 über ein System von Leitungen 13 verbundene
Kolben-Zylinder-Einheiten 21, in die das Wasser aus dem
Gewässer 15 über das Leitungssystem 13 gelangt.
Es kann auch nur eine Kolben-Zylinder-Einheit vorhanden sein. In der
Zeichnung 1 ist zur Vereinfachung nur
eine solche Kolben-Zylinder-Einheit 21 dargestellt.
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In
einer gewissen Höhe von beispielsweise 50 m unterhalb des
Wasserspiegels 10 des Gewässers mündet
eine Zuflussleitung 16 in den Behälter 12,
die durch dessen Wandung hindurch geführt ist. Das dort
zufließende Wasser 17 stürzt im freien
Fall in den Behälter und treibt zuvor eine Turbine 27 an, welche
elektrische Energie erzeugt. In der Zuflussleitung 16 ist
diese mindestens eine Turbine 27 möglichst so
angeordnet, dass man im Fall einer Reparatur oder Wartung von dem
trockenen Bereich im Inneren des Behälters 12 aus
Zugang zu dieser Turbine 27 hat. In der Nähe dieser
Turbine befindet sich auch ein Generator, der hier nicht dargestellt
ist. Der über Turbine und Generator erzeugte Strom kann
beispielsweise für den Betrieb von Komponenten des Pumpsystems
gewonnen werden kann, zum Beispiel für den Betrieb einer
Hydraulikpumpe wie später noch näher erläutert
werden wird. Das zufließende Wasser gelangt in den Behälter 12 der
Wasserauffangeinheit 11 und wird dort gesammelt und fließt
von dort aus im Freigefälle über das Leitungssystem 13 in den
Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheit 21, deren Aufgabe
es ist, das Wasser in das Gewässer 15 zu rück
zu pumpen. Es sind in der Regel mehrere dieser Kolben-Zylinder-Einheiten 21 notwendig,
um das zufließende Wasser rasch genug abzupumpen, wobei die
Kolben teilweise phasenverschoben arbeiten, damit kontinuierlich
abgepumpt wird.
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Bei
dieser Anordnung fließt das Wasser mit vergleichsweise
hoher Geschwindigkeit in der Zuflussleitung 16 entsprechend
der Höhendifferenz über die Länge dieser
Zuflussleitung und den damit im Bereich des Austritts des Wassers 17 aus
dieser Zuflussleitung 16 herrschenden hydrostatischen Druck.
Hingegen ist die Höhe des Wasserpegels des sich in dem
Behälter 12 sammelnden gestauten Wassers 20 vergleichsweise
gering (Zeichnung ist nicht maßstäblich), so dass
der Druck, welcher in dem Leitungssystem 13 herrscht nur
wenig über dem atmosphärischen Druck liegt. Die
Zuflussleitung 16 endet an ihrem oberen offenen Ende 22 trichterförmig
in dem Gewässer 15, wobei dieses obere offene
Ende im Gewässer in ausreichender Höhe unter dem
Wasserspiegel 10 liegt, so dass dieses Ende 22 auch
bei Absinken des Wasserspiegels immer unterhalb dieses liegt und
somit immer neues Wasser aus dem Gewässer in die Zuflussleitung 16 nachfließen
kann. Durch die Trichterform wird gewährleistet, dass das Wasser
ausreichend rasch in die Zuflussleitung 16 einfließen
kann und diese nicht etwa durch Verunreinigungen verstopft wird.
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Die
Anzahl der Hübe der Kolben-Zylinder-Einheiten der Pumpvorrichtung
sollte bevorzugt so angepasst werden, dass die über die
Zuflussleitung 16 zufließende Menge an Wasser 17 immer
zeitgleich abgepumpt werden kann und somit der Wasserspiegel 20 im
Auffangbehälter 12 immer niedrig und in etwa gleich
bleibt. Der Wasserstrom in der Zuflussleitung 16 lässt
nicht nach, so dass man mittels der Turbine 27 kontinuierlich
und gleichmäßig elektrische Energie erzeugen kann.
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Die
Arbeitsweise der als Pumpvorrichtungen dienenden Kolben-Zylinder-Einheiten 21 wird
nun nachfolgend zunächst weiter unter Bezugnahme auf die 1 näher
erläutert. 1 zeigt eine der Kolben-Zylinder-Einheiten 21 umfassend
einen Zylinder 36, der im wesentlichen horizontal angeordnet
ist. Der Zylinder 36 hat in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
einen rechteckigen Querschnitt. In diesem Zylinder 36 befindet
sich ein Kolben 37, der eine Hubbewegung in Richtung des
Doppelpfeils vollzieht und der in 1 etwa in
seiner mittleren Position dargestellt ist. Wenn der Kolben 37 sich
in der Zeichnung nach links bewegt, dann wird an der rechten Zweigleitung 32 Wasser über
die Öffnung 33 in den Zylinder 36 gesaugt
und durch die Bewegung des Kolbens 37 entlang der Öffnungen 38 in
der Wandung des Zylinders 36 wird das Wasser nach außen
zurück in das Gewässer 15 gepumpt. Dabei
erfolgt dieser Pumpvorgang entgegen den hydrostatischen Druck im
Gewässer, da der Druck im Zylinderraum 39 zunimmt und
den außerhalb des Zylinders herrschenden hydro statischen
Druck übersteigt. Während sich der Kolben 37 nach
links bewegt, ist die rechte Klappe 34 geöffnet,
während die linke Klappe 35, die die andere Zuleitung
des Zuleitungssystems 13 verschließt geschlossen
ist. Es handelt sich hier immer um Klappen oder Ventile, die sich
in einer Richtung öffnen, sich aber bei Druck von der anderen
Seite gegen eine Strömung in entgegengesetzter Richtung
sperren. Die Öffnungen 38 in der Wandung des Zylinders 36 sind
in Abständen entlang dieser angeordnet und ebenfalls über
derartige Klappen verschließbar, so dass sie sich beim
Pumpvorgang öffnen, wodurch das Wasser dann aus dem Zylinder
nach außen in das Gewässer 15 austreten
kann. Ist der Druck im Gewässer außerhalb des
Zylinders hingegen höher als im Innenraum des Zylinders,
schließen sich diese Klappen.
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Der
Kolben 37 wird im Zylinder 36 mittels der Zugseile 41, 42 hin
und her bewegt mittels eines Antriebs, welcher in der 1 nicht
im Detail dargestellt ist und weiter unten noch näher erläutert
wird. Die Flächen des Kolbens 37, an denen diese
beiden Zugseile 41, 42 jeweils angreifen sind
wie man in 1 erkennt leicht geneigt, so
dass der Kolben in der Draufsicht gesehen von der Mitte nach außen
leicht konisch ausgebildet ist, was den Grund hat, dass beim Angreifen
einer Zugkraft eine Kippbewegung des Kolbens vermieden werden soll.
Da über die Länge des Zylinders jeweils abwechselnd
geschlossene Bereiche der Wandung des Zylinders 36 und Öffnungen 38 angeordnet
sind, wird das Wasser bei Bewegung des Kolbens 37 auf der
Druckseite immer jeweils aus dem Zylinderraum nach außen
gepumpt. Wenn der Kolben 37 in die Nähe des linken
Endes des Zylinders 36 gelangt ist, wird die Bewegung umgekehrt,
das heißt es wird nun eine Zugkraft auf das andere Zugseil 42 ausgeübt
und der Kolben wird nun im Zylinderraum nach rechts bewegt. Es fließt
nun Wasser über die linke Zuflussleitung 31 des
Leitungssystems 13 in den Zylinderraum links des Kolbens, während
die Zuflussleitung 32 nun geschlossen ist und der Kolben
pumpt wiederum Wasser aus dem Zylinderraum nach außen zurück
in das Gewässer 15. Der Kolben bewegt sich somit
im Zylinder hin und her und pumpt dadurch kontinuierlich.
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Wie
man in 1 weiterhin erkennt, befinden sich stirnseitig
an dem Kolben 37 jeweils an der der Wandung des Zylinders 36 zugewandten
außenseitigen Fläche Dichtlippen 43,
die breiter sind als der Kolben selbst. Diese Dichtlippen 43 bestehen
bevorzugt aus einem etwas nachgiebigen gleitfähigen Material.
Durch diese Dichtlippen werden jeweils die in Bewegungsrichtung
nachfolgenden Öffnungen 38 in der Wandung des
Zylinders 36 verschlossen. Das Wasser wird durch die vor
den Dichtlippen auf der Druckseite liegenden Öffnungen 38 nach
außen gedrückt.
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Es
bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten,
Antriebe mit vergleichsweise geringem konstruktiven Aufwand und
hohem Wirkungsgrad zu schaffen, um die für den Pumpvorgang notwendige
Hin- und Herbewegung des Kolbens 37 zu bewerkstelligen.
Eine Möglichkeit ist die Verwendung von Zugseilen 41, 42 wie
in 2 dargestellt, die über einen Hebelmechanismus 28 angetrieben werden,
der oberhalb der Plattform 30 angeordnet ist, in 1 nur
angedeutet und in 2 für sich separat dargestellt
ist und nun nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 näher
erläutert wird.
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Auf
der Plattform 30, die auf der Oberfläche des Gewässers
schwimmt sind zwei voneinander unabhängige analog aufgebaute
Antriebssysteme installiert, wobei das erste Antriebssystem einen
Masten 45 umfasst sowie im Bereich der Mastspitze ein Auflager 53 für
eine Tragarmkonstruktion mit einem kurzen Hebelarm 47,
der sich zu einer Seite des Masten 45 hin erstreckt und
mit einem langen Hebelarm 48, der sich zur anderen Seite
des Masten 45 hin erstreckt. Am Ende des kurzen Hebelarms 47 ist
der oberste Abschnitt 41a des einen Zugseils 41 (siehe auch 1)
befestigt, während am Ende des langen Hebelarms 48 ein
Zugseil 51 befestigt ist, welches mittels eines Motors,
insbesondere Elektromotors 50 auf eine Seilwinde 54 aufwickelbar
ist. Bei Betätigung dieser Seilwinde wird ein Zug auf das
Zugseil 51 ausgeübt, wodurch sich das Ende des
langen Hebelarms 48 absenkt. Da die Tragarmkonstruktion
gelenkig auf dem Auflager 53 an der Mastspitze gelagert
ist, schwenkt dann die erste Tragarmkonstruktion um dieses Auflager 53 und
der kurze Hebelarm 47 wird angehoben, wodurch wiederum
das Zugseil 41a nach oben gezogen wird. Dieses Zugseil
läuft über eine Umlenkrolle 49 im Bereich
der Plattform 30 und hat einen mittleren Abschnitt 41b unterhalb
dieser Plattform, der sich bis zu einer weiteren Umlenkrolle 52 in
Höhe der Kolben-Zylinder-Einheit 21 erstreckt, wo
das Zugseil dann erneut umgelenkt wird in einen etwa horizontalen
Abschnitt 41c, der an dem Kolben 37 angreift.
Dadurch wird bei Anheben des kurzen Hebelarms 47 über
das Zugseil 41a, 41b, 41c der Kolben
in der Zeichnung nach links gezogen.
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Es
ist ein zweites analog aufgebautes Antriebssystem vorgesehen mit
einem zweiten Masten 46, auf dem ebenfalls eine Tragarmkonstruktion
mit einem kurzen Hebelarm 55 und einem langen Hebelarm 56 gelenkig
gelagert ist. Am Ende des kurzen Hebelarms 55 greift der
obere Abschnitt 42a eines zweiten Zugseils an, welches
entsprechend umgelenkt wird, so dass der unterste Abschnitt 42c des zweiten
Zugseils an der anderen Seite des Kolbens 37 angreift.
An dem langen Hebelarm 56 greift wiederum endseitig ein
Zugseil 57 an, welches über einen Elektromotor 58 und
eine Seilwinde aufgewickelt werden kann, so dass auch die zweite
Tragarmkonstruktion mit den beiden ungleich langen Hebelarmen schwenkbar
ist. Bei Anheben des kurzen Hebelarms 55 und somit Ausüben
einer Zugkraft auf den obersten Ab schnitt des zweiten Zugseils 42a wird
eine Bewegung des Kolbens 37 in der Zeichnung nach rechts
ausgelöst.
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Die
in 1 dargestellte Turbine 27, die in der
Zuflussleitung 16 angeordnet ist, kann über eine elektrische
Leitung mit den Elektromotoren 50 und 58 verbunden
sein und der im System erzeugte Strom kann somit teilweise genutzt
werden, um diese Elektromotoren anzutreiben.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 3 eine beispielhafte
zweite alternative Ausführungsvariante der vorliegenden
Erfindung näher erläutert. Alternativ zu dem zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispiel kann man anstelle eines
einzigen Kolbens, der sich in dem Zylinder hin- und her bewegt,
auch zwei Kolben 59, 60 verwenden, die aufeinander
zu bzw. voneinander weg verfahrbar sind. In der Variante gemäß 3 sind
diese beiden Kolben 59, 60 zudem nicht einstückig
ausgebildet, sondern teleskopierend ausfahrbar. Der in der Zeichnung
linke Kolben 59 umfasst ein ausfahrbares mittleres ringförmiges
Segment 61 und ein inneres ebenfalls ausfahrbares zentrisches
Segment 62. Ebenso umfasst der zweite in der Zeichnung
rechte Kolben 60 ein teleskopierend ausfahrbares mittleres
ringförmiges Segment 63 und ein ausfahrbares inneres
zentrisches Segment 64. Der hier nicht im Detail dargestellte
Antrieb zum Ausfahren der Segmente 61, 62 bzw. 63, 64 kann
zum Beispiel hydraulisch über Wasserdruck erfolgen, der
die verfahrbaren Segmente der beiden Kolben 59, 60 von
der Außenseite her mit Wasserkraft beaufschlagt oder der
Antrieb erfolgt hydraulisch über Öldruck.
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Wenn
die beiden Kolben 59, 60 in Richtung der Pfeile
in 3 teleskopierend ausgefahren und aufeinander zu
bewegt werden, wird dadurch der Druck in dem zwischen den beiden
Kolben gelegenen Druckraum 65 des Zylinders erheblich erhöht,
so dass dieser dann den außerhalb des Zylinders 36 herrschenden
hydrostatischen Druck übersteigt, wodurch sich eine Klappe 66 öffnet
und das Wasser durch die Öffnung 67 aus dem Zylinder
strömen kann, was der Pumpphase der Kolben-Zylinder-Einheit
entspricht. Wenn die beiden Kolben 59, 60 hingegen
in entgegengesetzter Richtung voneinander weg fahren wird die Klappe 66 geschlossen
und es wird Wasser über eine in 3 gestrichelt
eingezeichnete Öffnung 68 in den Zylinderraum 65 aus
der Zuflussleitung 69 angesaugt, welche aus einem hier
nicht dargestellten Reservoir 20 von gestautem Wasser gespeist
wird (es wird auf die Darstellung von 1 verwiesen.)
Die Öffnung 68 ist in der Pumpphase über
eine in einer Strömungsrichtung sperrende Klappe verschlossen.
Wenn die beiden Kolben sich auseinander bewegen entspricht dies
somit der Zuflussphase. Da sich diese Zuflussphase jeweils mit der
Pumpphase abwechselt, ist es bei dieser Variante der Erfindung empfehlenswert,
dass wenigstens zwei dieser Kolben-Zylinder-Einheiten verwendet werden,
die jeweils in einem zueinander verschobenen Takt arbeiten. Während
sich dann die eine Kolben-Zylinder-Einheit in der Zuflussphase befindet, befindet
sich die andere Einheit in der Pumpphase, so dass ständig
Wasser aus dem gestauten Reservoir abgepumpt und somit der Wasserpegel
dort gehalten werden kann.
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Ähnlich
zu der zuvor anhand von 3 beschriebenen Variante sind
auch Lösungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfasst,
bei der zwei einstückige (also nicht teleskopierend auseinanderfahrbare)
Kolben in der Pumpphase von außen zur Mitte aufeinander
zu bewegt werden, wobei diese in der Zuflussphase über
einen geeigneten Antrieb, beispielsweise über Zugseile
nach außen gezogen werden. Dabei kann man den hydrostatischen
Wasserdruck des Wassers in der entsprechenden Gewässertiefe
nutzen, wenn man den Zylinder jeweils nach außen hin offen
gestaltet, so dass auf jeden Kolben jeweils von der Außenseite
her der hydrostatische Druck einwirkt. In der Zuflussphase muss
durch Ziehen der Kolben nach außen mittels der Antriebe
dieser Druck überwunden werden. In der Pumpphase hingegen
werden die Kolben dann durch den außen einwirkenden hydrostatischen
Druck beaufschlagt und es genügt, wenn die Antriebsmittel
eine Differenzkraft ausüben, die die beiden Kolben jeweils
aufeinander zu bewegt, denn dies ist dann ausreichend, um das Wasser
aus dem Zylinderraum zwischen den beiden Kolben in das Gewässer
zu pumpen.
-
4 zeigt
eine Ansicht einer Anordnung mit mehreren Kolben-Zylinder-Einheiten 21 mit
je zwei Kolben in verschiedenen Arbeitsphasen gemäß einer beispielhaften
alternativen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
Auch hier bewegen sich die beiden Kolben in jedem der Zylinderräume
jeweils abwechselnd aufeinander zu und voneinander weg, wobei das
Wasser aus dem mittig zwischen den beiden Kolben gelegenen Zylinderraum 65 über
wenigstens eine Öffnung 67 aus dem Zylinder heraus
gepumpt wird. An die Öffnung 67 ist bei dieser
Ausführungsvariante eine Abflussleitung 70 angeschlossen, die
in das Gewässer führt. Es sind hier insgesamt fünf
Kolben-Zylinder-Einheiten 21 vorhanden. Die Form der Kolben 59, 60 ist
hier etwas anders als bei der zuvor beschriebenen Variante von 3.
Es handelt sich nicht um teleskopierend ausfahrbare sondern um einstückig
ausgebildete Kolben 59, 60, die beispielsweise über
einen hydraulischen Antrieb aufeinander zu verfahrbar sind. Das
Wasser wird bei der synchronen Auseinanderbewegung der Kolben in den
Zylinderraum 65 eingesaugt über die Öffnung 68 der
Zuflussleitung. Die Antriebsmittel für die Bewegung der
Kolben werden hier nicht im Detail erläutert.
-
Wie
die 4 zeigt besteht der Vorteil der Verwendung mehrerer
Kolben-Zylinder-Einheiten 21 darin, dass diese phasenverschoben
arbeiten können, so dass ein kontinuierli cher Pumpvorgang
gewährleistet ist. Die Kolben der Einheit in der Zeichnung
ganz rechts befinden sich hier etwa in der Endphase des Pumpvorgangs,
wonach dann die Bewegungsrichtung umgekehrt wird. Die Kolben der
zweiten Einheit von rechts befinden sich in der Pumpphase. Die Kolben
der mittleren Einheit befinden sich etwa am Beginn der Pumpphase
und das Wasser wird über die Öffnung 67 aus
dem Zylinderraum 65 heraus in die Abflussleitung 70 gepumpt
und bei der zweiten Einheit von links, die sich in der Zuflussphase
befindet, wird Wasser über die Öffnung 68 in
den Zylinderraum 65 eingesaugt. Die Kolben der Einheit ganz
links befinden sich in der Phase nach der Bewegungsumkehr und das
Wasser beginnt hier über die Öffnung 68 in
den Zylinderraum 65 einzulaufen.
-
- 10
- Wasseroberfläche
- 11
- Wasserauffangeinheit
- 12
- Behälter
- 13
- Leitungssystem
- 15
- Gewässer
- 16
- Zuflussleitung
- 17
- stürzendes
Wasser
- 20
- gestautes
Wasser
- 21
- Kolben-Zylinder-Einheiten
- 21a
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 21b
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 22
- Ende
der Zuflussleitung
- 23
- Durchtritt
- 27
- Turbine
- 28
- Hebelmechanismus
- 31
- Zuflussleitung
links
- 32
- Zuflussleitung
rechts
- 33
- Öffnung
- 34
- Klappe
- 35
- Klappe
- 36
- Zylinder
- 37
- Kolben
- 38
- Öffnungen
- 39
- Innenraum
des Zylinders
- 40
- Innenraum
des Zylinders
- 41
- Zugseil
- 41a
- oberster
Abschnitt
- 41b
- mittlerer
Abschnitt
- 41c
- unterster
Abschnitt
- 42
- Zugseil
- 42a
- oberster
Abschnitt
- 42c
- unterster
Abschnitt
- 43
- Dichtlippen
- 44
- Rückschlagklappen
- 45
- Mast
- 46
- Mast
- 47
- kurzer
Hebelarm
- 48
- langer
Hebelarm
- 49
- Umlenkrolle
- 50
- Elektromotor
- 51
- Zugseil
- 52
- Umlenkrolle
- 53
- Mastspitze/Auflager
- 54
- Seilwinde
- 55
- kurzer
Hebelarm
- 56
- langer
Hebelarm
- 57
- Zugseil
- 58
- Elektromotor
- 59
- ausfahrbarer
Kolben
- 60
- ausfahrbarer
Kolben
- 61
- ringförmiges
Segment des Kolbens
- 62
- zentrisches
Segment
- 63
- ringförmiges
Segment des Kolbens
- 64
- zentrisches
Segment
- 65
- Zylinderraum
- 66
- Klappe
- 67
- Öffnung
- 68
- Öffnung
- 69
- Zuflussleitung
- 70
- Abflussleitung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4221657
A1 [0002]
- - DE 10160916 A1 [0004]