DE102009053355A1

DE102009053355A1 - Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft

Info

Publication number: DE102009053355A1
Application number: DE102009053355A
Authority: DE
Inventors: Violeta Alibeaj; Vullnet Miraka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft umfassend eine in einem ersten größeren Wasservolumen (15) unter der Wasseroberfläche (10) angeordnete von diesem Wasservolumen (15) gespeiste Zuflußleitung (16), wenigstens eine von dem zufließenden Wasser beaufschlagte Einrichtung (27), die die mechanische Energie des zufließenden Wassers in elektrische Energie umwandelt, wenigstens ein erstes Wasserauffangbecken (11), in das das zufließende Wasser gelangt, sowie wenigstens eine Pumpvorrichtung (31), um das Wasser aus dem ersten Wasserauffangbecken in ein zweites Wasserauffangbecken (21) zu pumpen. Während das erste Wasserauffangbecken (11) abflußseitig nicht in kommunizierender Verbindung mit dem größeren Wasservolumen steht, ist vorgesehen, dass das zweite Wasserauffangbecken (21) nur abflußseitig mit dem größeren Wasservolumen (15) in kommunizierender Verbindung steht und eine von dem ersten Wasserauffangbecken (11) ausgehende Verbindungsleitung (26) vorgesehen ist, der die Pumpvorrichtung (31) zugeordnet ist, mittels derer das Wasser aus dem ersten Wasserauffangbecken (11) in das zweite Wasserauffangbecken (21) pumpbar ist, wobei von diesem aus das Wasser in das größere Wasservolumen (15) zurückfließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft umfassend eine in einem ersten größeren Wasservolumen unter der Wasseroberfläche angeordnete von diesem Wasservolumen gespeiste Zuflußleitung, wenigstens eine von dem zufließenden Wasser beaufschlagte Einrichtung, die die mechanische Energie des zufließenden Wassers in elektrische Energie umwandelt, wenigstens ein Wasserauffangbecken, in das das zufließende Wasser gelangt, sowie wenigstens eine Pumpvorrichtung, um das Wasser aus dem Wasserauffangbecken zurück in das Gewässer zu pumpen.
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.
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 kontinuierlichen 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.
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.
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.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
Die vorliegende Erfindung schlägt zur Lösung der vorgenannten Aufgabe vor, dass das aus der Zuflußleitung zuströmende Wasser zunächst in ein erstes Wasserauffangbecken gelangt, welches abflußseitig nicht in kommunizierender Verbindung mit dem größeren Wasservolumen steht, wobei ein zweites Wasserauffangbecken vorgesehen ist, welches nur abflußseitig mit dem größeren Wasservolumen in kommunizierender Verbindung steht und wobei eine von dem ersten Wasserauffangbecken ausgehende Verbindungsleitung vorgesehen ist, der eine Pumpvorrichtung zugeordnet ist, mittels derer das Wasser aus dem ersten Wasserauffangbecken in das zweite Wasserauffangbecken pumpbar ist, von dem aus das Wasser in das größere Wasservolumen zurückfließt.
Anders als in dem eingangs genannten Stand der Technik ergibt sich für die erfindungsgemäße Anlage eine wesentlich bessere Energiebilanz, denn es muss nicht das Wasser auf die Ausgangshöhe zurückgepumpt werden, wozu ja praktisch die zuvor aus Wasserkraft gewonnene Energie wieder verbraucht würde, sondern es wird vielmehr das Wasser nur auf ein etwas höheres Niveau gepumpt, von wo aus es dann in das erste größere Wasservolumen zurückfließt.
Bei einer erfindungsgemäßen Anlage kann beispielsweise das erste größere Wasservolumen ein Staubecken in einem natürlichen Gewässer wie z. B. einem See oder im Meer sein, wobei man einen hohen nach oben hin offenen Behälter in ein vergleichsweise tiefes Gewässer einbringt, wobei man den Behälter zum Beispiel in einer schwimmenden Plattform fixieren kann. Die Gewässertiefe sollte ausreichend groß sein, damit sich eine ausreichende Höhendifferenz für das in das Wasserauffangbecken stürzende Wasser ergibt. Der Durchmesser des Behälters muss nicht allzu groß sein, da es nur auf die Höhendifferenz ankommt. Der Behälter kann zum Beispiel zylindrisch sein oder auch rechteckig mit quaderförmigem Volumen. Die Grundrissform des Behälters ist jedoch im Prinzip beliebig. Der Behälter kann beispielsweise aus Beton vor Ort hergestellt werden, aber es sind natürlich auch Behälter aus anderen Materialien wie Metall oder Kunststoff denkbar. Die Herstellung und Installation eines solchen Behälters ist erheblich kostengünstiger als der Bau eines Staudamms, der sich ja über die gesamte Breite eines Gewässers erstecken muss. In dem Behälter installiert man in der Zuflußleitung ein Turbinenrad, welches von dem mit hoher Geschwindigkeit in den Behälter stürzenden Wasser beaufschlagt wird. Als Zuflußleitung dient beispielsweise ein Rohr, welches in den Behälter mündet. Diese Zuflußleitung ist in dem Gewässer verlegt und ist an ihrem anderen 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.
Anstelle eines Gewässers kann man auch ein Bauwerk errichten, welches das erste größere Wasservolumen aufnimmt. Dieses Bauwerk sollte natürlich eine ausreichende Höhe haben, um einen entsprechend hohen hydrostatischen Druck im unteren Bereich des Wasservolumens zu schaffen.
Das zufließende Wasser stürzt dann in einer ausreichenden Höhe unterhalb des Wasserspiegels des größeren Wasservolumens in das erste Wasserauffangbecken, welches sich bevorzugt innerhalb des ersten größeren Wasservolumens befindet, von letzterem aber getrennt ist bis auf die Zuflußleitung, über die das Wasser aus dem ersten größeren Wasservolumen in das erste Wasserauffangbecken gelangt. Das erste Wasserauffangbecken befindet sich auch wenn es innerhalb des größeren Wasservolumens angeordnet ist auf einem entsprechend tiefen Niveau, um eine ausreichende Höhendifferenz zu schaffen, beispielsweise in Nähe des Gewässerbodens oder in Nähe des Bodenniveaus des Bauwerks. Von dem ersten Wasserauffangbecken aus gelangt das Wasser über die Verbindungsleitung in das zweite Wasserauffangbecken, wobei es zunächst auf ein etwas höheres Niveau gepumpt wird, dann aber aufgrund der Schwerkraft in das zweite Wasserauffangbecken stürzt. Diese Niveaudifferenz sollte natürlich nicht zu groß sein, um die für den Pumpvorgang aufzubringende Energie so niedrig wie möglich zu halten. Das Wasservolumen in diesem zweiten Wasserauffangbecken steht wiederum in kommunizierender Verbindung mit dem Wasser in dem größeren Wasservolumen, so dass das Wasser dann von dem zweiten Wasserauffangbecken letztlich in das größere Wasservolumen zurückfließt.
Da es sich um ein größeres Wasservolumen handelt, läuft aus der Zuflußleitung stets von oben Wasser in den ersten Auffangbehälter nach. Idealerweise ist die Kapazität der Pumpvorrichtung so berechnet, dass in einer Zeiteinheit genau die Menge an Wasser, die in das erste Auffangbecken zufließt, auch wieder aus dem ersten Auffangbecken heraus gepumpt wird, so dass sich eine Art Gleichgewicht ergibt und der Wasserspiegel im ersten Wasserauffangbecken immer etwa auf gleicher Höhe verbleibt. Die Höhe, die den Druck in der Zuflußleitung bestimmt und die Höhe, der Durchmesser oder die Breite des Behälters oder Bauwerks, welches das erste größere Wasservolumen aufnimmt, die Querschnitte der Leitungen sowie Größe und Anzahl und somit Pumpkapazität der Pumpen können entsprechend berechnet und aufeinander abgestimmt werden, so dass sich ein gleichmäßiger Betrieb der Anlage ergibt. Bei einem natürlichen Gewässer als größeres Wasservolumen ist bei ausreichender Tiefe 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 zwar etwas, aber die übrigen Parameter der Anlage können entsprechend angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Staubecken ein nach oben zur Atmosphäre hin offener Behälter ist, der die Wasseroberfläche eines Gewässers überragt, soweit, dass auch bei Wellenbewegungen kein Wasser aus dem Gewässer oben über den Rand in den Behälter fließen kann. Im Staubecken und auch im Eintrittsbereich des Wasserauffangbeckens, welches ebenfalls oben offen ist, herrscht somit atmosphärischer Druck.
Wenn man gemäß der zweiten möglichen Variante der Erfindung ein Bauwerk auf dem Land errichtet, welches das erste größere Wasservolumen aufnimmt, dann verwendet man bevorzugt eine Belüftungsvorrichtung im Bereich der Zuflußleitung im Strömungsweg unterhalb des Eintritts des Wassers aus dem größeren Wasservolumen in die Zuflußleitung und im Strömungsweg oberhalb des Eintritts des Wassers in das erste Wasserauffangbecken, um die Zuflußleitung zum ersten Wasserauffangbecken zu belüften. Beispielsweise kann die Belüftung über ein Rohr oder eine Leitung erfolgen, die Kontakt zum atmosphärischen Druck außerhalb des Bauwerks hat und in welche die Zuflußleitung einmündet, bevor das zufließende Wasser in das erste Wasserauffangbecken gelangt oder dergleichen.
Bevorzugt kann wenigstens eine Turbine vorgesehen sein, die von dem in das erste Wasserauffangbecken zufließenden Wasser unmittelbar beaufschlagt wird. Dabei ist es bei beiden Varianten der Erfindung, also Anordnung der Vorrichtung in einem Gewässer oder in einem an Land errichteten Bauwerk, welches das größere Wasservolumen aufnimmt, besonders vorteilhaft, wenn sich die Turbine in einem Trockenbereich befindet, das heißt in einem Bereich außerhalb des größeren Wasservolumens, wodurch eine bessere Zugänglichkeit der Turbine für Wartungszwecke und Reparaturen geschaffen wird. Dies kann man beispielsweise so lösen, dass man die Zuflußleitung, die zuflußseitig in dem größeren Wasservolumen endet, aus dem Bauwerk oder dem Staubecken zunächst herausführt und dann wieder hineinführt, so dass man die Turbine in dem Bereich anordnen kann, der sich außerhalb des Bauwerks oder Staubeckens befindet. Dies hat den Vorteil, dass man bei Wartung der Turbine das Wasser des Wasservolumens nicht ablassen muss.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Wasserauffangbecken oberseitig durch eine Decke von dem größeren Wasservolumen getrennt ist, sich das erste Wasserauffangbecken innerhalb des zweiten Wasserauffangbeckens befindet und sich unterhalb der Decke und oberhalb des Wasserspiegels des ersten Wasserauffangbeckens ein eingeschlossenes Luftvolumen oder Gasvolumen befindet. Dieses Luft- oder Gasvolumen bestimmt den Druck in dem Luftraum oberhalb des Wasserspiegels in dem ersten Wasserauffangbecken, welcher bevorzugt gleich ist mit dem Druck oberhalb des Wasserspiegels in dem zweiten Wasserauffangbecken. Beide Luftvolumina stehen somit unmittelbar oder über eine Druckausgleichsleitung miteinander in Verbindung. Bevor die Vorrichtung zu arbeiten beginnt ergibt sich abhängig von der Menge der eingeschlossenen Luft (oder des Gases) ein Gleichgewicht, welches die Kompression des eingeschlossenen Luftvolumens und die jeweiligen Pegelstände im ersten und im zweiten Wasserauffangbecken bestimmt, was wiederum von dem hydrostatischen Druck im unteren Bereich des größeren Wasservolumens abhängt, denn das zweite Wasserauffangbecken steht mit dem größeren Wasservolumen in kommunizierender Verbindung, vorzugsweise ist das zweite Wasserauffangbecken dazu unterseitig zu dem größeren Wasservolumen hin offen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung ist das zweite Wasserauffangbecken oberseitig geschlossen, beispielsweise durch eine Decke oder einen Dom und das eingeschlossene Luft- oder Gasvolumen befindet sich unter dieser Decke/diesem Dom. Die Zuflußleitung kann beispielsweise durch diese Decke hindurchgeführt werden und kann dabei in das in dem ersten Wasserauffangbecken enthaltene Wasser hineingeführt werden und dort enden, wobei sich das erste Wasserauffangbecken wiederum innerhalb des zweiten Wasserauffangbeckens befinden kann, wobei jedoch das Wasser nur über die Verbindungsleitung von dem ersten zum zweiten Wasserauffangbecken fließen kann, während ein Überströmen über den oberen Rand des ersten Wasserauffangbeckens verhindert wird. Über die Pumpvorrichtung wird das Wasser ausgehend von dem Eintrittsende der von dem ersten Wasserauffangbecken ausgehenden Verbindungsleitung auf ein etwas höheres Niveau gepumpt und strömt dann aus der Verbindungsleitung austretend in das zweite Wasserauffangbecken. Die Luft oder das Gas in dem eingeschlossenen Luftvolumen (Gasvolumen) steht unter Druck und beaufschlagt somit bevorzugt sowohl den Wasserspiegel in dem ersten Wasserauffangbecken als auch den Wasserspiegel in dem zweiten Wasserauffangbecken.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Höhe des zweiten Wasserauffangbeckens geringer ist als die Höhe der Wassersäule des größeren Wasservolumens und dass die Niveaudifferenz zwischen dem tieferen Niveau unterhalb des Wasserspiegels in dem ersten Wasserauffangbecken und dem gegenüber diesem höheren Niveau auf dem die Verbindungsleitung in dem Luftvolumen endet, wiederum geringer ist als die Höhe des zweiten Wasserauffangbeckens. Je höher das Bauwerk oder je tiefer das Gewässer ist, desto höher ist der hydrostatische Druck im unteren Bereich des größeren Wasservolumens. Je geringer wiederum die Niveaudifferenz zwischen dem Austrittsbereich ist, an dem das Wasser aus dem ersten Wasserauffangbecken in die Verbindungsleitung einströmt und dem höchsten Punkt der Verbindungsleitung ist, der durch die Pumpleistung überwunden werden muss, bevor das Wasser aus der Verbindungsleitung in das zweite Wasserauffangbecken fließt, desto geringer ist die erforderliche Pumpleistung.
Die Zuflußleitung muss bei einem Gewässer nicht unbedingt nur innerhalb des Gewässers verlegt sein, sondern könnte beispielsweise auch abschnittsweise in einem Uferbereich oder über Land verlegt sein. Bei einem größeren Wasservolumen in einem Bauwerk kann ebenfalls ein Abschnitt der Zuflußleitung aus dem Bauwerk und somit dem Wasservolumen heraus geführt sein, um dadurch Möglichkeiten für eine bessere Wartung zu schaffen.
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 (Eintrittsende) offen ist und in einem größeren Wasservolumen mit Abstand unter der Wasseroberfläche angeordnet ist, so dass die Zuflußleitung von diesem Wasservolumen 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 (Austrittsende) in wenigstens ein erstes Wasserauffangbecken mündet, und man dieses zufließende Wasser dann mittels einer Pumpvorrichtung aus dem ersten Wasserauffangbecken über eine Verbindungsleitung in ein zweites Wasserauffangbecken pumpt, von wo aus das Wasser zurück in das größere Wasservolumen fließt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebene Anwendung zur Erzeugung elektrischer Energie beschränkt, sondern kann auch dazu verwendet werden, Wasser aus insbesondere einem fließenden Gewässer zu pumpen, um es nutzbar zu machen beispielsweise zur Bewässerung landwirtschaftlicher Nutzflächen. In diesem Fall ist die Erzeugung elektrischer Energie nachrangig. Der Aufbau der Vorrichtung bleibt ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Das Wasser gelangt aus dem fließenden Gewässer, zum Beispiel einem Fluss, in das erste größere Wasservolumen, strömt über die Zuflußleitung in das erste Wasserauffangbecken und wird von dort aus dem System heraus gepumpt auf ein höheres Niveau, um beispielsweise gegenüber dem Gewässer höher liegende landwirtschaftliche Nutzflächen zu bewässern. Die durch die Wasserkraft erzeugte Energie kann auch in diesem Fall genutzt werden, um die Pumpvorrichtung anzutreiben, wodurch die Zufuhr an externer Energie für den Betrieb eingeschränkt wird oder sich gänzlich erübrigt.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung einer Anlage gemäß einer beispielhaften möglichen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
Es wird auf 1 Bezug genommen und anhand dieser schematisch vereinfachten Darstellung wird der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage erläutert. Es ist zunächst ein Bauwerk 12 vorgesehen, welches so ausgelegt ist, dass es wie ein Becken ein größeres Wasservolumen 15 aufnehmen kann. Die Höhe des Bauwerks sollte möglichst groß sein, die Breite kann demgegenüber vergleichsweise gering sein. Anstelle dieses Bauwerks 12 kann man aber auch ein Staubecken verwenden, welches beispielsweise in einem vergleichsweise tiefen natürlichen Gewässer installiert und beispielsweise mittels einer an der Wasseroberfläche treibenden Plattform verankert ist, wobei das Staubecken in einer entsprechenden Ausnehmung in der Plattform eingefasst sein kann. Das Staubecken überragt dann den Wasserspiegel des Gewässers 15 nur so weit, dass aus dem Gewässer auch bei Wellenbewegungen kein Wasser über den oberen Rand in das Staubecken fließen kann und das Staubecken ist oberseitig zur Atmosphäre hin offen, so dass im Innenraum des Staubeckens atmosphärischer Druck herrscht. Das Bauwerk 12 gemäß 1 oder das genannte Staubecken kann beispielsweise ein zylindrischer oder quaderförmiger Behälter sein. Bei Errichtung eines Bauwerks 12 kann dieses auf einem Fundament an Land auf dem Untergrund errichtet werden.
Das Wasser aus dem größeren Wasservolumen 15 tritt an dem zu diesem hin offenen Eintrittsende 22 in die Zuflußleitung 16 ein. Dieses Eintrittsende 22 befindet sich in einer ausreihenden Tiefe unterhalb des Wasserspiegels des Wasservolumens, beispielsweise in einer Tiefe von 10 m. Die Zeichnung ist hier nicht maßstäblich und gibt die Verhältnisse nur schematisch wieder. Aufgrund des hydrostatischen Drucks strömt dann das Wasser mit entsprechend hoher Geschwindigkeit in der Zuflußleitung 16 und treibt dabei die in dieser angeordnete Turbine 27 an. Wie man sieht befindet sich die Turbine 27 in einem Bereich außerhalb der Wandung des Bauwerks 12, was dadurch möglich ist, dass die Zuflußleitung an einer Stelle aus dem Bauwerk heraus geführt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Turbine 27 im Trockenbereich liegt und somit für eine Wartung besser zugänglich ist. Die mittels der Turbine erzeugte elektrische Energie kann teilweise extern abgeführt werden und zum Antrieb einer Pumpvorrichtung 31 genutzt werden, was später noch im Detail erläutert wird. Die Zuflußleitung 16 kann ein trichterförmig erweitertes zum Wasservolumen 15 hin offenes Ende 22 haben, um das Zufließen des Wassers zu erleichtern, so dass immer eine ausreichende Menge neues Wasser aus dem Wasservolumen 15 in die Zuflußleitung 16 nachfließen kann.
Das Wasser 17 tritt stromabwärts in eine etwa vertikale Röhre ein, in die die Zuflußleitung 16 einmündet, wobei diese Röhre als Belüftungsvorrichtung 35 dient und an ihrem oberen Ende 35a zur Atmosphäre hin offen ist. Das als Behältnis für das größere Wasservolumen 15 dienende Bauwerk 12 kann an seinem oberen Ende offen sein wie in der Zeichnung dargestellt oder durch eine Decke geschlossen. Die als Belüftungsvorrichtung 35 dienende Röhre überragt jedoch in jedem Fall den Wasserspiegel des Wasservolumens 15, so dass kein Wasser in die Röhre gelangen kann und diese an ihrem oberen Ende zur Atmosphäre hin offen ist, so dass das Wasser ungehindert aus der Zuflußleitung 16 in die Röhre und dann weiter in das erste Wasserauffangbecken 11 fließen kann, wo die Zuflußleitung bzw. die Röhre ein unteres Austrittsende 23 hat, welches wie man sieht unter dem Wasserspiegel 11a in dem sich in dem ersten Wasserauffangbecken 11 stauenden Wasservolumen endet. Bei entsprechender Höhe des mit Wasser gefüllten Bauwerks 12 strömt das Wasser über die Zuflußleitung 16 und die Röhre mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit in das erste Wasserauffangbecken 11. Wenn dieses bezogen auf das größere Wasservolumen 15 vergleichsweise klein dimensioniert ist, muss natürlich das System so ausgelegt sein, dass das zuströmende Wasser das erste Wasserauffangbecken 11 rasch wieder verlassen kann, so dass sich kein Rückstau bildet. Der Wasserspiegel 11a in dem Wasserauffangbecken 11 wird durch ein unter Druck stehendes Luft- oder Gasvolumen 33 beaufschlagt. Das erste Wasserauffangbecken 11 ist nach oben hin zu diesem Luftvolumen 33 offen. Der Druck des Luftvolumens 33 ist so, dass das Wasser nicht über den oberen Rand des Wasserauffangbeckens 11 fließen kann. Der Wasserspiegel 11a liegt also immer unterhalb dieses Rands.
Das in den ersten Wasserauffangbehälter 11 zufließende Wasser wird sofort abgeführt. Dazu ist eine Verbindungsleitung 26 vorgesehen, welche ein zuflußseitiges Ende 26a aufweist, das in dem Wasservolumen im ersten Wasserauffangbecken 11 endet. Weiterhin ist eine Pumpe 31 vorgesehen, die das Wasser in die Verbindungsleitung 26 ansaugt und ausgehend von dem zuflußseitigen Ende auf ein etwas höheres Niveau pumpt. Diese Verbindungsleitung ist also teilweise als Steigleitung ausgebildet, wobei aber nur eine vergleichsweise geringe Höhendifferenz überwunden wird, die durch die Höhe H definiert ist. Die Verbindungleitung ist dann stromabwärts so abgewinkelt, dass nach Überwindung der Höhendifferenz H durch die Pumpleistung das Wasser in dem letzten nach unten gerichteten Leitungsabschnitt 26b aufgrund des Freigefälles in das zweite Wasserauffangbecken 21 stürzt. Der letzte Leitungsabschnitt 26b endet dabei oberhalb des Wasserspiegels 21a in dem zweiten Wasserauffangbecken 21. Dieser Wasserspiegel 21a ist maximal nur so hoch, dass das Wasser nicht über den Rand des ersten Wasserauffangbeckens in dieses erste Wasserauffangbecken 11 zurückfließen kann. Auch der Wasserspiegel 21a in dem zweiten Wasserauffangbecken 21 wird durch das unter Druck stehende eingeschlossene Luftvolumen 33 oberhalb dieses Wasserspiegels 21a beaufschlagt.
Die Konstruktion des zweiten Wasserauffangbeckens 21 kann wie aus der Zeichnung ersichtlich derart sein, dass dieses nach oben hin durch eine Decke 32 oder einen Dom von dem größeren Wasservolumen 15 getrennt ist und ebenfalls durch Seitenwände 36 seitlich von dem größeren Wasservolumen 15 abgetrennt ist. Das zweite Wasserauffangbecken 21 ist in der Zeichnung schematisch im Schnitt dargestellt, das heißt es kann auch eine vordere und hintere Seitenwand vorhanden sein, die man in der Zeichnung nicht sieht. Das zweite Wasserauffangbecken 21 kann auch teilweise (beispielsweise im unteren Bereich) zur Seite hin offen sein, denn es genügt, wenn die Ausbildung so ist, dass das unter Druck stehende Luftvolumen 33 unter der Decke 32 des zweiten Wasserauffangbeckens 21 eingeschlossen ist. Diese Funktion erfüllt auch ein Dom recht gut. Es kann sich aber bei dem zweiten Wasserauffangbecken 21 auch um einen umgestülpten nach unten hin offenen Quader oder Würfel handeln. Da das zweite Wasserauffangbecken 21 nach oben hin durch die Decke geschlossen, nach unten hin aber zu dem größeren Wasservolumen 15 hin offen ist, steht das Wasser in dem zweiten Wasserauffangbecken 21 über dessen Unterseite mit dem Wasser des größeren Wasservolumens 15 in kommunizierender Verbindung.
Das erste Wasserauffangbecken 11 wiederum ist nach unten hin durch einen Boden 37 geschlossen, seitlich allseitig durch Wände geschlossen, aber an der Oberseite zu dem Luftvolumen 33 hin offen, so dass die einzige Abflussmöglichkeit für das in das erste Wasserauffangbecken 11 zufließende Wasser über die Verbindungsleitung 26 gegeben ist. Das erste Wasserauffangbecken 11 befindet sich dabei im Inneren des von dem zweiten Wasserauffangbecken 21 umschlossenen Volumens, es endet somit am oberen Rand mit Abstand unterhalb der Decke 32 des zweiten Wasserauffangbeckens 21 und ist auch schmaler als die seitliche Ausdehnung des letzteren, so dass ein seitlicher Abstand zwischen dem ersten Wasserauffangbecken 11 und den Seitenwänden 36 des zweiten Wasserauffangbeckens 21 besteht. Die Tiefe des ersten Wasserauffangbeckens 11 nach unten hin ist nicht kritisch, da diese dort über den Boden 37 geschlossen ist. Wichtig ist nur, dass durch das unter Druck stehende eingeschlossene Luftvolumen 33, welches beide Wasserspiegel 11a und 21a beaufschlagt, eine Art Gleichgewichtszustand geschaffen wird, das Wasser immer sofort das erste Wasserauffangbecken 11 über die Verbindungsleitung 26 verlässt und somit der Wasserspiegel 11a nicht wesentlich ansteigen, das Wasser nicht über den oberen Rand der Seitenwände des ersten Wasserauffangbeckens 11 fließen kann und das Wasser auch nicht umgekehrt aus dem zweiten Wasserauffangbecken 21 über den Rand der Seitenwände des ersten Wasserauffangbeckens in dieses zurückfließen kann. Damit erfolgt der Wasserstrom immer über die Verbindungleitung 26 in das zweite Wasserauffangbecken 21, in dem der Wasserspiegel aufgrund des Drucks des Luftvolumens 33 nicht ansteigen kann. Das Wasser strömt dann abflussseitig aus dem nach unten hin offenen zweiten Wasserauffangbecken 21 in das größere Wasservolumen 15 zurück. Von oben fließt über die Zuflußleitung 16 und die nach oben hin offene Röhre 35 stets Wasser in das erste Wasserauffangbecken 11 nach, welches über die Pumpe 31 stets durch die Verbindungsleitung 26 abgepumpt wird, so dass der Wasserspiegel 11a im ersten Wasserauffangbecken 11 nicht ansteigt.
Das Einbringen des unter Druck stehenden eingeschlossenen Luftvolumens 33 in den Hohlraum unter der Decke 32 des zweiten Wasserauffangbeckens 21 kann beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Druckluftleitung vor Beginn des Prozesses erfolgen, so dass sich ein gewünschter Wasserpegel in beiden Wasserauffangbecken 11 bzw. 21 ergibt. Dieser Druck lässt sich auch durch eine Absenkung des nach unten hin offenen Wasserauffangbeckens 21 mit einem bereits unter der Decke 32 eingeschlossenen Luftvolumen in dem größeren Wasservolumen erhöhen, da mit der Tiefenposition des zweiten Wasserauffangbeckens 21 in dem größeren Wasservolumen 15 auch der hydrostatische Druck des in das zweite Wasserauffangbecken eindringenden Wassers steigt, wodurch sich der Wasserspiegel 21a in dem zweiten Wasserauffangbecken 21 verändert.
In der Zuflußleitung 16 ist bevorzugt ein hier nicht dargestelltes Ventil vorgesehen, nach dessen Öffnung dann Wasser aus der Zuflußleitung in den Wasserauffangbehälter 11 stürzt. Ein solches Ventil ist vorteilhaft, um den Prozess beispielsweise zu Wartungs- oder Reparaturzwecken zu unterbrechen. Weitere Ventile in der Röhre 35 und in der Verbindungsleitung 26 sind aus dem gleichen Grund ebenfalls vorteilhaft. Nach Öffnen der Ventile kann das oben in der Zuflußleitung 16 strömende zufließende Wasser die Turbine 27 (oder auch mehrere Turbinen) beaufschlagen, wodurch Strom erzeugt wird. Die Anlage kann kontinuierlich arbeiten, da das aus dem größeren Wasservolumen 15 oder Gewässer zufließende Wasser wieder in dieses Wasservolumen zurückfließt.
Bezugszeichenliste

10: Wasseroberfläche
11: Wasserauffangbecken
11a: Wasserspiegel
12: Staubecken
15: größeres Wasservolumen
16: Zuflußleitung
21: zweites Wasserauffangbecken
21a: Wasserspiegel
22: Eintrittsende der Zuflußleitung
23: Austrittsende der Zuflußleitung
26: Verbindungsleitung
26a: zuflußseitiges Ende
26: b letzter Leitungsabschnitt
27: Turbine
31: Pumpvorrrichtung
32: Decke
33: Luftvolumen
35: Belüftungsvorrichtung
35a: oberes Ende der Belüftungsvorrichtung (Röhre)
36: Seitenwände
37: Boden des ersten Wasserauffangbeckens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4221657 A1 [0002]
DE 10160916 A1 [0004]

Claims

Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft umfassend eine in einem ersten größeren Wasservolumen (15) unter der Wasseroberfläche (10) angeordnete von diesem Wasservolumen (15) gespeiste Zuflußleitung (16), wenigstens eine von dem zufließenden Wasser beaufschlagte Einrichtung (27), die die mechanische Energie des zufließenden Wassers in elektrische Energie umwandelt, wenigstens ein Wasserauffangbecken (11), in das das zufließende Wasser gelangt, sowie wenigstens eine Pumpvorrichtung (31), um das Wasser aus dem Wasserauffangbecken zurück in das Gewässer zu pumpen, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Zuflußleitung (16) zuströmende Wasser zunächst in ein erstes Wasserauffangbecken gelangt, welches abflußseitig nicht in kommunizierender Verbindung mit dem größeren Wasservolumen (15) steht, wobei ein zweites Wasserauffangbecken (21) vorgesehen ist, welches nur abflußseitig mit dem größeren Wasservolumen (15) in kommunizierender Verbindung steht und wobei eine von dem ersten Wasserauffangbecken (11) ausgehende Verbindungsleitung (26) vorgesehen ist, der eine Pumpvorrichtung (31) zugeordnet ist, mittels derer das Wasser aus dem ersten Wasserauffangbecken (11) in das zweite Wasserauffangbecken (21) pumpbar ist, von dem aus das Wasser in das größere Wasservolumen (15) zurückfließt.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Turbine (27) vorgesehen ist, die von dem in das erste Wasserauffangbecken (11) zufließenden Wasser (17) unmittelbar beaufschlagt wird.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wasserauffangbecken (21) oberseitig durch eine Decke (32) von dem größeren Wasservolumen (15) getrennt ist, sich das erste Wasserauffangbecken (11) innerhalb des zweiten Wasserauffangbeckens befindet und sich unterhalb der Decke und oberhalb des Wasserspiegels (11a) des ersten Wasserauffangbeckens (11) ein eingeschlossenes Luftvolumen (33) oder Gasvolumen befindet.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste größere Wasservolumen (15) ein zur Atmosphäre nach oben hin offenes Staubecken in einem natürlichen Gewässer oder ein Vorratswasservolumen in einem Bauwerk (12) ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Belüftungsvorrichtung (35) im Bereich der Zuflußleitung im Strömungsweg unterhalb des Eintritts des Wassers aus dem größeren Wasservolumen (15) in die Zuflußleitung (16) und im Strömungsweg oberhalb des Eintritts des Wassers in das ersten Wasserauffangbecken (11) vorgesehen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wasserauffangbecken (21) oberseitig geschlossen ist und zur Unterseite hin zu dem größeren Wasservolumen (15) hin offen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (26) von einem tieferen Niveau unterhalb des Wasserspiegels (11a) in dem ersten Wasserauffangbecken ausgeht und auf einem gegenüber diesem höheren Niveau in dem Luftvolumen (33) mit Abstand über dem Wasserspiegel (21a) in dem zweiten Wasserauffangbecken (21) endet.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpvorrichtung (31) elektrisch angetrieben ist und mindestens teilweise durch von der Turbine (27) erzeugtem Strom versorgt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft oder das Gas in dem eingeschlossenen Luftvolumen (Gasvolumen) (33) unter Druck steht und sowohl den Wasserspiegel (11a) in dem ersten Wasserauffangbecken (11) als auch den Wasserspiegel (21a) in dem zweiten Wasserauffangbecken (21) beaufschlagt.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Turbine (27) in der Zuflußleitung (16) außerhalb des Staubeckens oder Bauwerks (12) oder von außerhalb dieses her zugänglich in einem Trockenbereich stromaufwärts des Eintrittspunkts des Wassers in das erste Wasserauffangbecken (11) angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des zweiten Wasserauffangbeckens (21) geringer ist als die Höhe der Wassersäule des größeren Wasservolumens (15) und dass die Niveaudifferenz zwischen dem tieferen Niveau unterhalb des Wasserspiegels (11a) in dem ersten Wasserauffangbecken und dem gegenüber diesem höheren Niveau auf dem die Verbindungsleitung (26) in dem Luftvolumen (33) endet, wiederum geringer ist als die Höhe des zweiten Wasserauffangbeckens (21).
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft, insbesondere unter Verwendung einer Anlage der zuvor beschriebenen Art, bei dem man in einer Zuflußleitung (16), deren eines Ende (Eintrittsende) offen ist und in einem größeren Wasservolumen (15) mit Abstand unter der Wasseroberfläche angeordnet ist, so dass die Zuflußleitung von diesem Wasservolumen gespeist wird, wenigstens eine von dem zufließenden Wasser beaufschlagte Einrichtung (27) anordnet, die die mechanische Energie des zufließenden Wassers in elektrische Energie umwandelt, wobei das andere Ende der Zuflußleitung (Austrittsende) in wenigstens ein erstes Wasserauffangbecken (11) mündet, und man dieses zufließende Wasser dann mittels einer Pumpvorrichtung (31) aus dem ersten Wasserauffangbecken über eine Verbindungsleitung (26) in ein zweites Wasserauffangbecken (21) pumpt, von wo aus das Wasser zurück in das größere Wasservolumen (15) fließt.