DE102010005342A1

DE102010005342A1 - Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft

Info

Publication number: DE102010005342A1
Application number: DE102010005342A
Authority: DE
Inventors: Vullnet Miraka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2010-11-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft umfassend eine in einem Wasservorrat (15) unter der Wasseroberfläche (10) angeordnete von diesem Wasservorrat 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 (21), in das das zufließende Wasser gelangt, sowie wenigstens eine Pumpvorrichtung (31), um das Wasser aus dem Wasserauffangbecken zurück in den Wasservorrat zu pumpen, wobei erfindungsgemäß wenigstens eine im Endbereich der Zuflussstrecke angeordnete Pumpvorrichtung (31) vorgesehen ist, wobei das stromabwärts gelegene Ende der Zuflussstrecke mit einer nur in einer Richtung durchlässigen Verschlusseinrichtung (44) versehen ist, und in das untere Ende des Wasserauffangbeckens (21) mündet, wobei das Wasser mittels der Pumpvorrichtung in das Wasserauffangbecken pumpbar ist, und dieses mit einem Überlauf versehen ist, über den das Wasser in den Wasservorrat zurückfließt. Gegenüber herkömmlichen Wasserkraftwerken ist es vorteilhaft, dass beispielsweise der Bau eines in ein stehendes Gewässer eingebrachten Staubeckens erheblich kostengüstiger ist als der Bau eines Staudamms.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft umfassend eine in einem Wasservorrat unter der Wasseroberfläche angeordnete von diesem Wasservorrat 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 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.
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 eine im Endbereich der Zuflußstrecke angeordnete Pumpvorrichtung vorgesehen ist, das stromabwärts gelegene Ende der Zuflußstrecke mit einer nur in einer Richtung durchlässigen Verschlusseinrichtung versehen ist und ein Wasserauffangbecken vorgesehen ist, in das die Zuflußstrecke mündet, wobei das Wasser mittels der Pumpvorrichtung in das Wasserauffangbecken pumpbar ist, und dieses Wasserauffangbecken mit einem Überlauf versehen ist, über den das Wasser in den Wasservorrat zurückfließt.
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 das Wasser auf einem tieferen Niveau in den Wasservorrat zurückgepumpt, wobei jedoch die in dem zufließenden Wasser enthaltene Energie und der hydrostatische Druck der Wassersäule im Wasservorrat genutzt werden.
Man kann bei der Konzeption einer erfindungsgemäßen Anlage beispielsweise wie folgt vorgehen. Man bringt als Staubecken einen hohen nach oben hin offenen Behälter in ein vergleichsweise tiefes Gewässer ein, beispielsweise einen See oder auch in das Meer, wobei man den Behälter zum Beispiel in einer schwimmenden Plattform fixieren kann. Die Gewäs sertiefe 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.
Das zufließende Wasser stürzt dann in einer Höhe H₁ unterhalb des Wasserspiegels des Gewässers in das Auffangbecken und legt innerhalb dieses bis zu dessen Ausfluss am Grund des Auffangbeckens eine weitere Höhendifferenz H₂ zurück. Von dort aus gelangt es in das zweite Becken, in dem es nach oben steigt und über dessen Überlauf stürzt das Wasser und fließt zurück in das Gewässer.
Da es sich um ein größeres Gewässer handelt, läuft aus der Zuflußleitung stets oben Wasser in den Auffangbehälter nach. Idealerweise ist die Kapazität der Pumpvorrichtung so berechnet, dass in einer Zeiteinheit genau die Menge an Wasser, die in das Auffangbecken zufließt, auch wieder aus dem Auffangbecken heraus gepumpt wird, so dass sich eine Art Gleichgewicht ergibt und der Wasserspiegel im Wasserauffangbecken immer etwa auf gleicher Höhe verbleibt. Damit ist auch die Höhe H₂ konstant, die den Druck am unteren Ende des Wasserauffangbeckens bestimmt, sowie die Kraft, die durch das in das Wasserauffangbecken stürzende Wasser ausgeübt wird. Die Höhe H₁, die den Druck in der Zuflußleitung bestimmt und die Höhe H₂, der Durchmesser des Behälters, Größe und Anzahl und somit Pumpkapazität der Pumpen 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 unabhän gig. Wenn das Gewässer ausreichend groß ist, wirkt sich auch eine Trockenperiode kaum aus. Bei einem Absinken des Pegels sinkt die Höhe H₁ zwar, aber die übrigen Parameter der Anlage können entsprechend angepasst werden. Damit ausreichende Kräfte freigesetzt werden, sollten bevorzugt die Höhe H₁ und die Höhe H₂ etwa jeweils 10 m betragen.
Anstelle der Verwendung eines gestauten Wasservorrats beispielsweise in einem natürlichen Gewässer kann man aber auch beispielsweise Wasser als Wasservorrat verwenden, welches in einen Behälter eingefüllt wurde. Auch hier ist der Wasservorrat nach oben zur Atmosphäre hin offen, so dass darüber atmosphärischer Druck herrscht. Man kann dann einen Teil der Zuflußstrecke als Rohr oder Behälter ausführen, welcher ebenfalls nach oben hin zur Atmosphäre hin offen ist. Die Zuflußleitung kann dann weiter unterhalb in dieses Rohr einmünden. Die nur in einer Richtung durchlässige Verschlußeinrichtung befindet sich wiederum am unteren Ende der Zuflußstrecke. Das Rohr oder der Behälter der Zuflußstrecke können sich von oben nach unten hin konisch verjüngen. Diese Variante hat den Vorteil, dass sie praktisch an einem beliebigen Ort installiert werden kann. Der Durchmesser des Behälters muss nicht so groß sein, da es im Rahmen der Erfindungsidee nur auf eine ausreichende Höhe des Behälters ankommt, um den notwendigen hydrostatischen Druck in der Zuflußleitung zu erzeugen. Die übrigen erfindungsgemäß verwendeten Komponenten, insbesondere das Wasserauffangbecken, können bei dieser Variante ähnlich gestaltet sein wie bei der zuvor beschriebenen Variante, bei der man in einem Gewässer aufstaut. Bei dieser Variante erübrigt sich die Unterbrechung der Zuflußstrecke und das zufließende Wasser stürzt nicht im freien Fall über eine Teilstrecke. Es ergeben sich konstruktive Vereinfachungen dadurch, dass man nur ein Wasserauffangbecken benötigt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist bei der Variante, bei der man einen Wasservorrat aus einem Gewässer verwendet, vorgesehen, dass das Staubecken ein nach oben zur Atmosphäre hin offener Behälter ist, der die Wasseroberfläche des 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.
Bevorzugt kann sich ein Teilabschnitt der Zuflußstrecke von oben nach unten gesehen konisch oder trichterartig verjüngen, so dass der Druck in dessen unterem Bereich weiter erhöht wird. Die darüberhinaus notwendige weitere Druckerhöhung, die man benötigt, um das Wasser in das Wasserauffangbecken zu pumpen, wird mittels der im stromabwärts gelegenen Bereich der Zuflußstrecke angeordneten Pumpvorrichtung erzeugt. Selbst wenn der Druck im Wasserauffangbecken höher wäre als im Endbereich der Zuflußstrecke, kann das Wasser nicht zurückströmen, da die Verschlusseinrichtung nur eine Strömung in einer Richtung zulässt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasservorrat in einem zur Atmosphäre nach oben hin offenen Behälter oder Staubecken aufgenommen ist, welcher(s) einen im unteren Bereich angeordneten Dom aufweist, der gegenüber dem Wasservorrat nach oben hin geschlossen ist, wobei das Wasserauffangbecken mit Abstand unterhalb des Doms angeordnet ist und sich oberhalb des Wasserauffangbeckens und unterhalb des Doms ein Luftvolumen befindet. Dieses Luftvolumen kann man beispielsweise dadurch erzeugen, dass man bevor die Anlage anläuft, über eine geeignete Einrichtung Druckluft in den Hohlraum unter dem Dom pumpt. Der Wasserspiegel unterhalb des Doms muss in jedem Fall so tief liegen, dass dieser unter dem Überlaufrand des Wasserauffangbeckens liegt und somit das Wasser beim Überlaufen aus dem Wasserauffangbecken aufgrund der Schwerkraft in das Wasser unterhalb des Doms stürzt. Vorzugsweise dient somit der obere Rand des Wasserauffangbeckens als Überlauf für das in den Wasservorrat zurückfließende Wasser, wobei dieser obere Rand mit Abstand oberhalb des Wasserpegels im Dom liegt und das untere Ende der Zuflußstrecke mit der Verschlusseinrichtung unterhalb des oberen Rands des Wasserauffangbeckens endet und in das Wasser in diesem Wasserauffangbecken eintaucht.
Weiterhin kann gemäß einer vorteilhaften konstruktiven Lösung der untere Abschnitt der Zuflußstrecke durch den das Luftvolumen des Wasserauffangbeckens gegenüber dem Wasservorrat nach oben hin abschließenden Dom nach unten hindurch geführt sein.
Die Einrichtung zur Erzeugung der elektrischen Energie aus Wasserkraft umfasst bevorzugt wenigstens eine Turbine in der Zuflußleitung, welche beispielsweise stromaufwärts der Eintrittsöffnung der Zuflußstrecke in das Wasserauffangbecken oder an anderer geeigneter Stelle in der Zuflußleitung angeordnet ist. Bevorzugt ist es, die Turbine dort anzuordnen wo kein Wasser steht, also in einem trockenen Bereich des Staubeckens, welches zur Atmosphäre hin nach oben offen ist, bei der Variante, bei der der Wasservorrat aus einem Gewässer durch Aufstauen erhalten wird. Bei der anderen Variante, bei der sich der Wasservorrat in einem Behälter befindet, kann man die Zuflußleitung aus diesem Behälter abschnittsweise hinausführen, so dass auch hier die Turbine in einem Trockenbereich liegen kann. Die Turbine ist dann im Falle einer Reparatur oder Wartung wesentlich einfacher zugänglich. Die dort erzeugte elektrische Energie wird dann bevorzugt teilweise dazu genutzt, die Pumpe anzutreiben, die das Wasser aus der Zuflußstrecke in das Wasserauffangbecken pumpt.
Die Zuflußleitung muss bei einem natürlichen Gewässer nicht unbedingt nur innerhalb des Gewässers verlegt sein, sondern könnte beispielsweise auch abschnittsweise in einem Uferbereich oder über Land verlegt sein. Es muss sich nicht unbedingt um ein stehendes Gewässer handeln, sondern man kann den Wasservorrat auch durch aufstauen aus einem fließenden Gewässer gewinnen.
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 Wasservorrat mit Abstand unter der Wasseroberfläche angeordnet ist, so dass die Zuflußleitung von diesem Wasservorrat 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 innerhalb eines Staubeckens oder Behälters angeordnetes Wasserauffangbecken mündet, man das zufließende Wasser in dieses Wasserauffangbecken strömen lässt, und man dieses zufließende Wasser mittels einer Pumpvorrichtung am stromabwärts gelegenen Ende einer Zuflußstrecke in das Wasserauffangbecken pumpt, welches sich unterhalb des Wasservorrats befindet und von diesem nach oben hin abgeschottet ist, wobei das aus dem Wasserauffangbecken überlaufende Wasser zurück in den Wasservorrat fließt.
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 ersten beispielhaften möglichen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung einer Anlage gemäß einer alternativen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen und anhand dieser schematisch vereinfachten Darstellung wird der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage gemäß einer ersten möglichen Ausführungsvariante erläutert. Es ist zunächst ein großes Staubecken 12 vorgesehen, welches beispielsweise an einer in einem tiefen Gewässer 15 an der Wasseroberfläche treibenden Plattform 30 verankert ist, wobei das Staubecken 12 in einer entsprechenden Ausnehmung in der Plattform eingefasst sein kann. Das Staubecken überragt den Wasserspiegel des Gewässers 15 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 12 atmosphärischer Druck herrscht. Das Staubecken 12 kann beispielsweise ein zylindrischer oder quaderförmiger Behälter sein, dessen Wandung mit 13 bezeichnet ist. Der Innenraum 14 des Staubeckens 12 ist trocken, da dessen Wandung 13 den Wasserspiegel des Gewässers allseits überragt.
Die Anlage umfasst einen Wasserauffangbehälter 11, der innerhalb des Staubeckens und mit Abstand zu dessen Wandung 13 angeordnet ist und der folglich kleiner ist als das Staubecken 12. Das Wasser aus dem Gewässer 15 tritt an dem zum Gewässer hin offenen Eintrittsende 22 in die Zuflußleitung 16 ein. Dieses Eintrittsende 22 befindet sich in einer ausreihenden Tiefe unterhalb des Wasserspiegels des Gewässers, beispielsweise in einer Tiefe von 25 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 innerhalb des Staubeckens, was den Vorteil hat, 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 endet in dem Gewässer 15 und hat ein zu diesem hin offenes Ende 22, welches im Gewässer in ausreichender Höhe unter dem Wasserspiegel endet, so dass dieses Ende 22 auch bei Absinken des Wasserspiegels immer unterhalb des Wasserspiegels liegt und somit immer neues Wasser aus dem Gewässer in die Zuflußleitung 16 nachfließen kann.
Das Wasser 17 tritt am Austrittsende 23 aus der Zuflußleitung 16 aus und stürzt im freien Fall in den Wasserauffangbehälter 11, der wie man sieht oben trichterartig erweitert ist und das Wasser auffängt. In dem Wasserauffangbehälter 11 strömt dann das gestaute Wasser 20 unter Druck nach unten, wobei sich dieser Wasserauffangbehälter nach unten hin im Querschnitt verjüngt, was zu einer Druckerhöhung führt. Das aufgrund der Verjüngung im Durchmesser schmalere untere Ende 24 des Wasserauffangbehälters 11 ist mit einer Verschlusseinrichtung 44 versehen, die wie ein Rückschlagventil ausgebildet ist und nur in einer Richtung öffnet, in der Gegenrichtung hingegen sperrt. Das untere Ende 24 des Wasserauffangbeckens 11 taucht in ein zweites Becken 21 ein, welches etwa trichterartig geformt ist und an seinem oberen Ende einen Überlaufrand 21a aufweist. Das zweite Becken 21 umgibt wie man sieht das untere Ende 24 des Wasserauffangbeckens 11, beispielsweise etwa konzentrisch.
In dem Bereich des unteren Endes 24 befindet sich in dem hier nahezu rohrförmig ausgebildeten Wasserauffangbecken 11 eine Pumpe 31, die elektrisch betrieben wird und dazu über eine Leitung 25 mit der Turbine 27 verbunden ist, über die die Pumpe mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Diese Pumpe 31 sorgt für eine weitere Druckerhöhung, so dass nach Öffnen der Verschlusseinrichtung 44 das Wasser mit hohem Druck aus dem unteren Bereich des Wasserauffangbehälters 11 austritt und in das zweite Becken fließt. Von dort steigt es in dem zweiten Becken 21 nach oben und fließt das über den Überlaufrand 21a. Es genügt, wenn das zweite Becken ein kleineres Volumen aufnehmen kann als das Wasserauffangbecken. Das zweite Becken 21 taucht wiederum in das Wasser des Gewässers ein, dessen Wasserpegel 34 hier etwas unterhalb des Überlaufrands 21a des zweiten Beckens 21 liegt, so dass das aus dem zweiten Becken 21 überlaufende Wasser aufgrund der Schwerkraft in das Wasser des Gewässers stürzt.
Das Staubecken 12 ist unterseitig durch einen Dom geschlossen, der sich am äußeren Rand bis zur vertikalen Wandung 13 des Staubeckens hin erstreckt. Durch den Dom 32 wird ein kuppelförmiger Hohlraum geschaffen, der unterhalb des Staubeckens 12 liegt. Bevor man Wasser aus dem Wasserauffangbecken 11 in das zweite Becken 21 strömen lässt, füllt man über eine Druckluftleitung 26 Luft in den Hohlraum unterhalb des Doms 32, so dass sich dort ein Luftvolumen 33 über dem Wasserpegel 34 ergibt. Die durch den hydrostatischen Druck des Gewässers 15 unter Druck stehende Luft in dem Luftvolumen 33 befindet sich somit oberhalb des zweiten Behälters 21, hat aber durch den Dom 32 keine Verbindung mit dem Innenraum 14 des Staubehälters 12, in dem atmosphärischer Druck herrscht. In den Hohlraum unter dem Dom 32 kann über die Druckluftleitung 26 vor Beginn des Prozesses so viel Luft eingefüllt werden, dass sich ein gewünschter Wasserpegel 34 ergibt, der in jedem Fall um eine gewisse Distanz unter dem Überlaufrand 21a liegt, so dass das Wasser, welches im zweiten Becken 21 überläuft, in das Wasser des Gewässers 15 stürzt.
In der Zuflußleitung 16 ist ein hier nicht dargestelltes Ventil vorgesehen, nach dessen Öffnung dann Wasser aus der Zuflußleitung in den Wasserauffangbehälter 11 stürzt. Nach Öffnen der Verschlusseinrichtung 44 wird das Wasser vom unteren Ende 24 des Wasserauffangbehälters 11 aus in den zweiten Behälter 21 gepumpt, so dass dieser überfließt und das Wasser zurück in das Gewässer 15 fließt. Das oben in der Zuflußleitung 16 strömende zufließende Wasser beaufschlagt die Turbine (oder auch mehrere Turbinen), wodurch Strom erzeugt wird. Die Anlage kann kontinuierlich arbeiten, da das aus dem Gewässer zufließende Wasser wieder in das Gewässer zurückfließt.
Das Eintrittsende 22 der Zuflußleitung 16 kann beispielsweise 25 m unterhalb des Wasserspiegels liegen und der Höhenunterschied bis zum unteren Ende des Wasserauffangbeckens 11 kann beispielsweise weitere 50 m betragen. Die jeweiligen Höhendifferenzen können jedoch im Prinzip beliebig gewählt werden, wobei die Anlage so ausgelegt werden muss, dass am Bereich des Austritts des Wassers aus dem Wasserauffangbecken 11 ein ausreichend hoher Druck erzeugt wird. Ein wesentlicher Vorteil der Anlage besteht darin, dass die Erstellung eines Staubeckens 12 mit beispielsweise einem Durchmesser von 30 m oder dergleichen in einem tiefen Gewässer erheblich kostengünstiger ist als der Bau eines Staudamms, der sich über die gesamte Breite des Gewässers erstrecken muss. Zudem ist die Anlage vom anfallenden Niederschlag unabhängig und kann kontinuierlich arbeiten, da das Wasser in das Gewässer 15 zurückgeführt wird.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 eine zweite alternative Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dieser Ausführungsvariante wird nicht ein Wasservorrat aus einem natürlichen Gewässer genutzt, sondern es wird ein Behälter 112 verwendet, der vergleichsweise hoch ist, beispielsweise zehn, zwanzig Meter oder mehr und der ein entsprechendes Volumen an Wasser als Wasservorrat 15 aufnimmt. Der Behälter kann nach oben hin offen sein, so dass über dem Wasserspiegel 10 atmosphärischer Druck herrscht. Die Zuflußleitung 116 ist wiederum an ihrem Zuflußende 22 zu dem Wasservorrat 15 hin offen und endet eine ausreichende Distanz unterhalb des Wasserspiegels 10, so dass das Wasser durch den hydrostatischen Druck in die Zuflußleitung 16 eintritt. Bei dieser Variante ist wie man sieht die Zuflußleitung über eine Teilstrecke aus dem Behälter 112 heraus geführt, so dass man dort die Turbine 27 in einem für die Wartung zugänglichen Trockenbereich anordnen kann. Danach tritt sie wieder in den Behälter 112 ein. Bei dieser Variante entfällt auch der erste Wasserauffangbehälter ebenso wie die Strecke, in der das Wasser im freien Fall stürzt. Vielmehr tritt die Zuflußleitung stromabwärts an einer Einmündung 120 in eine Art Rohr 111 ein, welches wie in der Zeichnung gegebenenfalls sich von oben nach unten konisch verjüngend ausgebildet sein kann. Dieser Rohr 111 erstreckt sich in dem Behälter 112 mit dem Wasservorrat bis nach oben hin und überragt den Wasserspiegel 10 und ist ebenfalls zur Atmosphäre hin oben offen.
Die Füllhöhe des Wassers in dem Rohr 111 kann gegebenenfalls variieren, muss aber jedenfalls so hoch sein, dass das Rohr über die Einmündung hinaus nach oben gefüllt ist. Bei Füllhöhe entsprechend der Höhe des Wasserspiegels 10 im Behälter 112 ist der hydrostatische Druck im Rohr 111 im Bereich der Einmündung 120 der gleiche wie derjenige in der Zuflußleitung 116. Es ist auch hier der Dom 32 vorhanden, der ein Luftvolumen 33 unterhalb des Doms nach oben hin gegen den Wasservorrat 15 abschließt. Unterhalb dieses Doms 32 befindet sich das Wasserauffangbecken 21. In diesem Fall ist also nur ein einziges Wasserauffangbecken 21 vorhanden. Das Rohr 111, über das das Wasser zufließt, ist durch den Dom hindurch geführt und endet in dem Wasser des Wasserauffangbeckens 21. Im unteren Endbereich des Rohrs 111 befindet sich eine Pumpe 31 zur Druckerhöhung.
Das Wasser strömt dann bei geöffnetem Ventil 44 in das Wasserauffangbecken 21, welches eine Wannenform hat mit einem Überlaufrand, über den dann das Wasser überläuft und schließlich in das unterhalb des Doms 32 unter dem Luftvolumen 33 befindliche Wasser 115 gelangt, welches wiederum mit dem Wasservorrat 15 im Behälter in Strömungsverbindung steht, so dass das Wasser letztendlich in den Wasservorrat 15 zurückfließt. Die Luft 33 kann nicht aus dem Dom 32 entweichen, das dieser wie eine Art Glocke konstruiert ist. Die Luft dort steht unter entsprechendem Druck und kann vor Beginn des Verfahrens dort eingefüllt werden. Das Wasserauffangbecken 21 ruht hier über eine Tragkonstruktion 117 auf dem Boden 118 des Behälters 112, so dass es abgestützt ist. Für den Dom 32 ist ebenfalls eine Stützkonstruktion 119 vorhanden, um diesen abzustützen, die aber nur aus Trägern oder Pfeilern besteht, so dass das Wasser 115 unterhalb des Doms 32 zwischen diesen Trägern hindurch fließen kann und in Strömungsverbindung mit dem Wasservorrat 15 im Behälter 112 steht. Im Übrigen ist die Funktionsweise dieser Anlage zu derjenigen des bereits zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels analog.

10: Wasseroberfläche
11: Wasserauffangbecken
12: Staubecken
13: Wandung des Staubeckens
14: Innenraum des Staubeckens
15: Wasservorrat, Gewässer
16: Zuflußleitung
17: stürzendes Wasser
20: gestautes Wasser
21: (zweites) Wasserauffangbecken
21a: Überlaufrand
21b: Bodenbereich
22: Eintrittsende der Zuflußleitung
23: Austrittsende der Zuflußleitung
24: unteres Ende des Wasserauffangbehälters
25: elektrische Leitung
26: Luftleitung
27: Turbine
31: Pumpvorrrichtung
32: Dom
33: Luftvolumen
34: Wasserpegel
44: Verschlußeinrichtung
111: Rohr
112: Behälter
115: Wasser unter dem Dom
116: Zuflußleitung
117: Tragkonstruktion
118: Boden des Behälters
119: Stützkonstruktion, Pfeiler
120: Einmündung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Claims

Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft umfassend eine in einem Wasservorrat (15) unter der Wasseroberfläche (10) angeordnete von diesem Wasservorrat 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 (21), 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 eine im Endbereich der Zuflußstrecke angeordnete Pumpvorrichtung (31) vorgesehen ist, das stromabwärts gelegene Ende der Zuflußstrecke mit einer nur in einer Richtung durchlässigen Verschlusseinrichtung (44) versehen ist und ein Wasserauffangbecken (21) vorgesehen ist, in das die Zuflußstrecke mündet, wobei das Wasser mittels der Pumpvorrichtung in das Wasserauffangbecken pumpbar ist, und dieses Wasserauffangbecken mit einem Überlauf versehen ist, über den das Wasser in den Wasservorrat (15) zurückfließt.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Turbine (27) vorgesehen ist, die von dem in das Wasserauffangbecken (21) zufließenden oder dem aus diesem abfließenden Wasser (17) unmittelbar beaufschlagt wird.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teilabschnitt der Zuflussstrecke (11) sich von oben nach unten gesehen konisch oder trichterartig verjüngt.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasservorrat (15) in einem zur Atmosphäre nach oben hin offenen Behälter (112) oder Staubecken (12) aufgenommen ist, welcher(s) einen im unteren Bereich angeordneten Dom (32) aufweist, der gegenüber dem Wasservorrat nach oben hin geschlossen ist, wobei das Wasserauffangbecken (21) mit Abstand unterhalb des Doms (32) angeordnet ist und sich oberhalb des Wasserauffangbeckens und unterhalb des Doms (32) ein Luftvolumen (33) befindet.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Rand (21a) des Wasserauffangbeckens (21) als Überlauf für das in den Wasservorrat (15) zurückfließende Wasser dient, dieser obere Rand mit Abstand oberhalb des Wasserpegels im Inneren des Doms (32) liegt und das stromabwärts gelegene Ende der Zuflußstrecke (11) mit der Ver schlusseinrichtung (44) unterhalb des oberen Rands (21a) des Wasserauffangbeckens (21) endet und in das Wasser im Wasserauffangbecken eintaucht.
Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Staubecken (12) als etwa zylindrischer oder etwa quaderförmiger oben offener Behälter in einem Gewässer ausgebildet ist, welcher oberseitig die Wasseroberfläche des Gewässers überragt und in einer auf dem Gewässer schwimmenden Plattform (30) verankert ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der untere (stromabwärts gelegene) Abschnitt der Zuflußstrecke (11) nach unten durch den das Luftvolumen des Wasserauffangbeckens gegenüber dem Wasservorrat (15) nach oben hin abschließenden Dom (32) hindurch geführt ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuflußleitung (16) oberhalb des Wasserauffangbeckens (21) unterbrochen ist und zunächst mit Abstand oberhalb eines ersten Wasserauffangbeckens (11) endet, das Wasser von dort aus im freien Fall in dieses erste Wasserauffangbecken gelangt, wobei der Eintrittsquerschnitt des Wasserauffangbeckens (11) größer ist als der Austrittsquerschnitt der Zuflußleitung (16).
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Turbine (27) in der Zuflußleitung (16) außerhalb des Wasservorrats (15) im Trockenbereich stromaufwärts des Eintrittspunkts des Wassers in das oder die Wasserauffangbecken (11, 21) angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Wasserauffangbecken (21) von unten nach oben hin trichterförmig erweitert.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilabschnitt der Zuflußstrecke von einem Rohr oder Behältnis (111) gebildet ist, welches den Wasserspiegel (10) des Wasservorrats (15) nach oben hin überragt und nach oben zur Atmosphäre hin offen ist, wobei die Zuflußleitung (116) unterhalb des Wasserspiegels in einer Einmündung (120) seitlich in dieses Rohr oder Behältnis einmündet.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft, insbesondere unter Verwendung einer Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem man in einer Zuflußleitung (16), deren eines Ende (Eintrittsende 22) offen ist und in einem Wasservorrat (15) mit Abstand unter der Wasseroberfläche (10) angeordnet ist, so dass die Zuflußleitung von diesem Wasservorrat (15) 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 23) in wenigstens ein innerhalb eines Staubeckens (12) oder Behälters (112) angeordnetes Wasserauffangbecken (21) mündet, man das zufließende Wasser (17) in dieses Wasserauffangbecken strömen lässt, und man dieses zufließende Wasser mittels einer Pumpvorrichtung am stromabwärts gelegenen Ende einer Zuflußstrecke in das Wasserauffangbecken (21) pumpt, welches sich unterhalb des Wasservorrats (15) befindet und von diesem nach oben hin abgeschottet ist, wobei das aus dem Wasserauffangbecken (21) überlaufende Wasser zurück in den Wasservorrat (15) fließt.