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Die Erfindung betrifft einen strömungserregten, elektrischen Generator.
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Die Ausnutzung der Wasserkraft durch den Menschen findet sich schon im Altertum. Heute dienen Wasserkraftwerke vorwiegend der Erzeugung von elektrischem Strom. Zu meist wird hierbei die potentielle Energie des Wassers genutzt, die durch Kunstbauten wie Talsperren, Staustufen oder Wehre bei fließenden Gewässern künstlich erhöht werden kann. Alternativ kann die potentielle Energie des Wassers hochgelegener, auch künstlicher Seen bei einem Ablauf in ein tiefer gelegenes Tal genutzt werden, beispielsweise bei dem Walchenseekraftwerk.
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Anders als bei diesen herkömmlichen Wasserkraftwerken, Gezeiten- oder Wellenkraftwerken nutzen bekannte Meeresströmungskraftwerke die kinetische Energie von Meeresströmungen. Hierzu verfügen die Meeresströmungskraftwerke über propellergetriebene Generatoren, ein herkömmliches Prinzip der Umwandlung mechanischer in elektrische Energie, wie es auch bei der Nutzung der Windkraft genutzt wird.
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Da eine solche mechanisch-elektrische Umsetzung der potentiellen Energie der Wellenbewegung oder einer kinetischen Energie einer Strömung in elektrische Energie zumeist sehr aufwändig ist und darüber hinaus nur wenige Orte sich für derartige Kraftwerke anbieten, wurde jüngst vorgeschlagen, für die Umsetzung der mechanischen in die elektrische Energie elektrisch aktive Polymere zu verwenden.
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Die elektrisch aktiven Polymere (EAP), häufig auch als künstliche Muskeln bezeichnet, werden von Elektroden eingefasst und reagieren auf das Anlegen einer elektrischen Spannung mit einer Formänderung bzw. können bei einer Formänderung und Anliegen einer Spannung diese verändern, so dass sie vielfältig als Aktoren oder als Sensoren Verwendung finden können.
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Die Herstellung und die Verwendung einer elektrisch aktive Polymere aufweisenden Folie ist beispielsweise in der
DE 10 2007 059 858 A1 erläutert. Derartige Folien können die Gewinnung elektrischer Energie aus mechanischer Energie in vielfältiger Weise verändern.
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So ist gemäß der Erfindung ein strömungserregter, elektrischer Generator vorgesehen, bei dem gemäß des Anspruchs 1 auf einen in seiner Längserstreckung ortsfest in eine Strömung einzubringenden Schlauch aus einer elastischen Folie, die mit elektrisch aktive Polymere versehen ist oder aus solchen besteht, abgestellt wird, wobei der Schlauch stromauf Mittel aufweist für eine Stabilisierung des Querschnitts eines Schlauchzulaufs, stromab Mittel für eine Stabilisierung des Querschnitts eines Schlauchablaufs und eine Verschlussvorrichtung, durch die der Schlauchablauf geschlossen und geöffnet werden kann.
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Durch Generatoren nach der Erfindung kann auch die Fließgeschwindigkeit bspw. kleinerer Gewässer umweltfreundlich und effizient in elektrische Energie umgesetzt werden.
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Das grundlegende Prinzip der Gewinnung elektrischer Energie bei dem Generator nach der Erfindung beruht auf dem Öffnen und Schließen des Schlauchablaufs und der damit einhergehenden Formänderung des Schlauchs, der einen weitgehend beliebigen Ausgangsquerschnitt aufweisen kann, und der damit einhergehenden Formänderung der elektrisch aktiven Polymere, wodurch eine elektrische Energie erhöht und abgegriffen werden kann.
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Zweckmäßigerweise wird vorgesehen sein, dass der Schlauchzulauf ortsfest in einer Strömung festgelegt ist. Damit kann der Schlauch frei von Haltevorrichtungen oder dergleichen stromab des Schlauchzulaufs sich frei deformieren.
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In konstruktiver Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass die Mittel für eine Stabilisierung des Querschnitts des Schlauchzulaufs und/oder des Schlauchablaufs einen Ring aufweisen, der rohrartig ausgebildet möglichst ohne innere oder äußere Querschnittsänderungen, hydraulisch glatt sich in dem Schlauch fortsetzt, da insbesondere unstetige Querschnittsänderungen regelmäßig zu Druckverlusten in dem darüber strömenden Fluid führen.
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Wird der Generator nach der Erfindung bei geschlossenem Schlauchablauf angeströmt, wird der Schlauch aufgrund des Staudrucks eine Dehnung in Längsrichtung erfahren. Abhängig von der Anströmgeschwindigkeit eines Fluids, bspw. das Wasser eines Flusses, kann der Staudruck durch die Maßnahme erhöht werden, dass vor dem Schlauchzulauf des Generators wenigstens ein die Strömungsgeschwindigkeit erhöhendes Leitblech angeordnet ist, beispielsweise von trichterartiger Geometrie. Hierbei kann ein solches Leitblech unmittelbar an dem Schlauchzulauf bzw. an den den Querschnitt des Schlauchzulaufes stabilisierenden Mitteln angeschlossenen sein oder es kann ein solches Leitblech auch abgesetzt von dem eigentlichen Generator davor ortsfest an einer gesonderten Halterung festgelegt sein.
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Um den bei einem Schließen des Schlauchablaufs auftretenden Druckstoß, vergleichbar einem Wasserschlag, und der damit einhergehenden negativen Druckwelle optimal zu nutzen, kann stromab, endseitig des Generators, wenigstens ein den Strömungswiderstand erhöhendes Leitblech vorgesehen sein, durch das der Schlauch bei geöffneter Verschlussvorrichtung eine Vorspannung erfährt.
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Für das Öffnen und Schließen, das sehr schnell erfolgen soll, bietet sich an, dass die Verschlussvorrichtung ein Ventil, alternativ eine Klappe aufweist. Insbesondere Kugelventile benötigen nur einen geringen Kraftaufwand, der reibungsabhängig ist, und öffnen und schließen sehr schnell, was jedoch einen Aktor bedingt. Klappen können, über geeignete Hebelwerke oder andere Mechaniken, die Strömung des den Generator umgebenden Fluids nutzen und so auf eine Fremderregung weitgehend verzichten.
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Ist das den Generator umgebende Fluid elektrisch leitfähig, bspw. das Wasser eines Flusse, so kann dieses Fluid in vorteilhafter Weise als Elektrode herangezogen werden. Entsprechend ist eine zweite Elektrode gegenüber dem Fluid elektrisch zu isolieren.
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Ein Zyklus des Öffnens und Schließens der Verschlussvorrichtung, der periodisch oder durch physikalische Umgebungsbedingungen vorgegeben werden kann, wird nachstehend weiter erläutert. Der Betrieb eines strömungserregten, elektrischen Generators, insbesondere wie voranstehend beschrieben, aufweisend einen in seiner Längserstreckung in eine Strömung einzubringenden Schlauch aus einer Folie, die mit elektrisch aktiven Polymeren versehen ist oder aus solchen besteht, und an dem stromab eine Verschlussvorrichtung angeordnet ist, umfasst die Verfahrensschritte des Vordehnens des Schlauchs bei geöffneter Verschlussvorrichtung auf eine Ausgangslänge, des Schließens der Verschlussvorrichtung mit nachfolgender, durch einen Staudruck und eine positive Druckwelle eines durch das Schließen hervorgerufenen Druckstoßes bedingte Längsdehnung des Schlauchs auf eine maximale Länge und einer nachfolgenden Längenverkürzung aufgrund einer negativen Druckwelle des Druckstoßes auf eine minimale Länge, des Öffnens der Verschlussvorrichtung mit Erreichen der minimalen Länge des Schlauchs und der erneuten Dehnung des Schlauchs auf die Ausgangslänge.
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Dabei werden die elektrisch aktiven Polymere mit Erreichen der maximalen Längsdehnung des Schlauchs elektrisch geladen und erfolgt eine Endladung mit Erreichen der minimalen Länge.
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Ein solcher Zyklus kann, neben einer regelmäßigen Wiederholung, auch durch physikalische Umgebungsbedingungen vorgegeben werden, beispielsweise dadurch, dass das Schließen der Verschlussvorrichtung bei Erreichen einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit erfolgt, womit die für die Energieerzeugung wesentliche Längenänderung des Schlauchs optimiert werden kann.
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Das Entladen der elektrisch aktiven Polymere sowie das Erreichen der Ausgangslänge des Schlauchs nach Öffnen der Verschlussvorrichtung bedarf einer kürzeren Zeitspanne als die, die zwischen dem Schließen der Verschlussvorrichtung und der Längenverkürzung auf eine minimale Länge verstreicht. So kann die Verschlusszeit grundsätzlich größer bemessen sein als die Öffnungszeit.
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Das Wesen der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, in der lediglich schematisch Vorrichtungen und Funktionsabläufe dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
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1: einen Längsschnitt durch einen Generator nach der Erfindung mit geöffneter Verschlussvorrichtung, wird anhand der
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2 bis 7: der Betrieb des erfindungsgemäßen Generators weiter erläutert, gibt
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8: in einem Diagramm den geöffneten bzw. geschlossenen Zustand des Generators wieder,
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9: darunter die Längenänderung eines Schlauchs und darunter
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10: die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Schlauchs.
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Generators 1 in einer Strömung 2, dargestellt durch einen Pfeil, bspw. eines Fließgewässers über einem Grund 3.
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Der Generator 1 weist einen in seiner Längserstreckung in die Strömung 2 eingebrachten Schlauch 4 aus einer Folie auf, die elektrisch aktive Polymere aufweist oder aus solchen besteht. Aus einer Formänderung dieser elastischen Folie, hervorgerufen durch wechselndes Durchströmen und Aufstauen des Fließgewässers in dem Schlauch 3, wird die elektrische Energie gewonnen. Abgeleitet werden kann diese elektrische Energie unmittelbar durch bspw. das den Generator 1 umgebende Wasser, das dann als Elektrode dient. Eine zweite Elektrode ist in solch einem Fall gegenüber dem Wasser elektrisch zu isolieren und über ein nicht dargestelltes Kabel abzugreifen.
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Der Schlauch 4 weist eine Länge in einem Meterbereich und einen Durchmesser in einem Dezimeterbereich bevorzugt auf, womit der Generator 1 auch in sehr flachen Fließgewässern eingesetzt werden kann.
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Stromauf des Generators 1 wird der Querschnitt eines Schlauchzulaufs 5 durch einen formstabilen Ring 6 offengehalten, der rohrartig ausgebildet hydraulisch glatt in den Schlauch 4 übergeht.
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Dieser Ring 6 ist geeignet, den Generator 1 ortsfest in der Strömung 2 festzulegen, angedeutet durch einen in dem Grund 3 verankerten Stab 7.
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Zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Schlauchzulauf 5 und damit zu einer Erhöhung des Staudrucks bei stromab geschlossenem Schlauch 4 ist vor dem Schlauchzulauf 5 ein die Geschwindigkeit der Strömung 2 erhöhendes Leitblech 8 in Form eines Trichters angeordnet. Dieses Leitblech 8 kann ebenfalls an dem Grund 3, ggfls. auch an dem Ring 6 festgelegt sein.
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Alternativ zu der Festlegung des Generators 1 wie auch des Leitblechs 8 am Grund 3 des Fließgewässers ist eine Festlegung beispielsweise an einem Steg über dem Fließgewässer problemlos möglich.
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Auch stromab sind Mittel für eine Stabilisierung des Querschnitts eines Schlauchablaufs 9 vorgesehen, die hier durch eine Verschlussvorrichtung in Form eines Kugelventils 10 ausgebildet werden, wobei auch der Übergang zwischen dem Schlauch 4 und einer Durchgangsöffnung 11 des Gehäuses 12 des Kugelventils 10 hydraulisch glatt sein sollte. In dem Gehäuse 12 ist eine um eine vertikale Achse 13 drehbare Kugel 14 mit einer Durchgangsöffnung 15 beispielhaft in geöffnetem Zustand dargestellt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel eines Generators 1 gemäß 1 ist an dem Gehäuse 12 des Kugelventils 10 ferner ein ringförmig umlaufendes Leitblech 16 angeschlossen, das endseitig des Schlauches 4 einen Strömungswiderstand darstellt, wodurch der elastische Schlauch 4 in der Strömung 2 auch bei geöffnetem Kugelventil 10 eine Vorspannung erfährt und auf eine Ausgangslänge gedehnt wird.
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Einen auf eine solche Ausgangslänge x1 vorgedehnten Schlauch 17 zwischen zwei Ringen 18,19 zeigt 2 bei geöffneter Verschlussvorrichtung, hier angedeutet durch eine Klappe 20. Ursächlich ist hierfür wieder eine am Ende des vorderseitig festgelegten Schlauches 17 angreifende Kraft, hervorgerufen durch ein endseitig des Generators 21 angebrachtes, den Strömungswiderstand vergrößerndes Leitblech 22.
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Wird die Klappe 20 geschlossen, 3, dies möglichst schnell, wird aufgrund des sich ausbildenden Staudrucks der elastische Schlauch 17 auf eine maximale Länge x2 sich ausdehnen, 4. Anschließend erfolgt jedoch aufgrund des durch das Schließen der Klappe 20 hervorgerufenen Druckstoßes und des sich damit einstellenden negativen Drucks eine Längenverkürzung des elastischen Schlauchs 17 gemäß 5 auf eine minimale Länge x3. Ist diese minimale Länge x3 erreicht, wird die Klappe 20 geöffnet, 6, wonach der Generator 21 erneut durchströmt wird und der Schlauch 17 auf seine Ausgangslänge X1 erneut vorgespannt wird, 7.
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Dieses Verhalten eines Generators nach der Erfindung wird anhand der 8 bis 10 weiter erläutert. 8 gibt dabei den Zustand einer Verschlussvorrichtung wieder, wobei die 1 für eine geschlossene und die 0 für eine geöffnete Verschlussvorrichtung steht, aufgetragen über der Zeit. In 8 ist die Zeit für das Öffnen bzw. Schließen der Verschlussvorrichtung unberücksichtigt verblieben. Es zeigt jedoch 8 auf, dass die Öffnungszeit deutlich geringer bemessen ist als die Verschlusszeit.
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Unter 8 ist die Längenänderung eines elastischen Schlauches in Abhängigkeit des Verschlusszustandes der Verschlussvorrichtung wiedergegeben. Die dort eingetragene Konstante 23 steht dabei für die Länge bei einer Beaufschlagung des elastischen Schlauches allein mit dem Staudruck.
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Die Länge x1 eines elastischen Schlauches aufgrund der Vorspannung durch einen von einem Leitblech hervorgerufenen Strömungswiderstand bei geöffneter Verschlussvorrichtung ist geringer bemessen als die allein durch den Staudruck hervorgerufene. Mit Schließen der Verschlussvorrichtung erfährt der Schlauch eine deutliche Verlängerung und werden mit Erreichen des Maximums entsprechend x2 die elektrisch aktiven Polymere geladen. Aufgrund der negativen Druckwelle des Druckstoßes nach dem Schließen der Verschlussvorrichtung verkürzt sich der Schlauch bis auf ein Minimum x3, in dem die elektrisch aktive Polymere entladen werden sowie die Verschlussvorrichtung geöffnet wird. Hiernach wird die Länge des Schlauchs erneut auf die vorgedehnte Ausgangslänge x1 anwachsen.
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Entsprechend der Längenänderung des Schlauchs gemäß 9 wird sich die in 10 dargestellte Geschwindigkeit innerhalb des Schlauches verhalten. In einem stationären Zustand bei geöffneter Verschlussvorrichtung ist die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Schlauches konstant, naturgemäß abhängig von einer tatsächlichen Fließgeschwindigkeit. Mit Schließen der Verschlussvorrichtung und damit einhergehendem Aufbau des Staudrucks sowie der positiven Welle des Druckstoßes fällt die Geschwindigkeit deutlich ab und wird 0, wenn die maximale Länge x2 des Schlauchs erreicht ist. Mit einer Längenverkürzung des Schlauches einhergehend wird die Geschwindigkeit negativ, durchläuft ein Minimum, um dann mit Erreichen der minimalen Länge x3 erneut den Wert 0 anzunehmen. Mit Öffnen der Verschlussvorrichtung wird dann die Strömungsgeschwindigkeit wieder positiv bis zu einem bspw. auch vorgebbaren Wert wachsen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Generator
- 2
- Strömung
- 3
- Grund
- 4
- Schlauch
- 5
- Schlauchzulauf
- 6
- Ring
- 7
- Stab
- 8
- Leitblech
- 9
- Schlauchablauf
- 10
- Kugelventil
- 11
- Durchgangsöffnung
- 12
- Gehäuse
- 13
- Achse
- 14
- Kugel
- 15
- Durchgangsöffnung
- 16
- Leitblech
- 17
- Schlauch
- 18
- Ring
- 19
- Ring
- 20
- Klappe
- 21
- Generator
- 22
- Leitblech
- 23
- Konstante
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007059858 A1 [0006]
