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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere mittels Wasserkraft, Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie.
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In
WO 2010/076 797 A2 ist eine Vorrichtung mit einem Verdrängungskörper und einem mit einem Fluid gefüllten Behälter beschrieben, wobei Flüssigkeit aus dem Behälter an einem in Schwerkraftrichtung höheren Ort in den Verdrängungskörper eingelassen wird und an einem in Schwerkraftrichtung tieferen Ort aus dem Verdrängungskörper über eine Leitung herausgelassen wird. Fakultativ kann unter Druck stehendes Gas eingesetzt werden, um das Herausströmen der Flüssigkeit aus dem Verdrängungskörper zu unterstützen. Die Bewegung des Verdrängungskörpers kann zum Erzeugen von elektrischer Energie genutzt werden.
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In
AT 6 042 B ist eine Auftriebkraftmaschine beschrieben, bei der eine selbsttätige Entleerung und Füllung von auf- und niedergehenden Verdrängungskörpern erfolgt. Die Bewegung der Verdrängungskörper wird über Seile und Rollen auf eine Welle übertragen.
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EP 2 063 104 A1 betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Energie, wobei mit Flüssigkeit befüllbare Verdrängungskörper in einem abgeschlossenen, mit Fluid gefüllten Raum auf und nieder bewegt werden können. Mit Hilfe von Spulen und Magneten erfolgt dabei eine Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie.
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DE 20 2006 009 953 U1 offenbart einen Auf- und Abtriebs-Turbinenschwimmer im Wasserturm, wobei der Schwimmer, der einen mit Flüssigkeit befüllbaren Verdrängungskörper darstellt, einen in einem Durchgangskanal angeordneten Rotationskörper aufweist. Der Schwimmer wird an einer oberen Stelle mit Flüssigkeit gefüllt und sinkt dadurch ab. In einer unteren Stelle wird unter Druck stehendes Gas in den Schwimmer eingeblasen, wodurch das Wasser aus dem Schwimmer verdrängt wird. Der Schwimmer steigt dadurch wieder auf. Die Bewegung des Rotationskörpers wird auf eine Welle übertragen.
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In
FR 2 279 314 A7 ist eine hydraulische Anlage beschrieben, bei der ein Verdrängungskörper in einem mit einem Fluid gefüllten Raum bewegt wird, in dem an einer tiefen Stelle ein unter Druck stehendes Gas in den Verdrängungskörper eingeblasen wird, so dass der Verdrängungskörper aufsteigt. An einer oberen Stelle wird das unter Druck stehende Gas aus dem Verdrängungskörper herausgelassen, so dass sich der Verdrängungskörper mit Fluid füllt und wieder absinkt. Der Verdrängungskörper weist einen Rotationskörper auf, der in einem Durchgangskanal angeordnet ist.
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Es ist bekannt, elektrische Energie aus Wasserkraft mittels Wasserrädern oder Turbinen zu erzeugen, beispielsweise in herkömmlichen Wasserkraft-, Pump- oder Strömungskraftwerken. Dabei wird das Wasser, das aufgrund eines Gefälles mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömt, durch die Turbinen beziehungsweise Rotoren geführt und versetzt diese dadurch in Rotation. Diese Rotationsbewegung wird dann in Energiewandlern in elektrische Energie umgewandelt, die zum Beispiel in ein elektrisches Versorgungsnetz einspeisbar ist.
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Es ist auch bekannt, Dichteunterschiede zwischen einem Verdrängungskörper und Wasser zur Erzeugung von elektrischer Energie auszunutzen. In
DE 10 2008 051 230 A1 wird beispielsweise vorgeschlagen, den Verdrängungskörper im unteren Bodenbereich eines Wasserbeckens einzuschleusen, wobei der Verdrängungskörper ein geringeres spezifisches Gewicht als Wasser hat. Der Verdrängungskörper steigt daher, nachdem er am Boden des Wasserbeckens eingeschleust wurde, zur Oberfläche des Wasserbeckens auf. Diese Bewegung soll dann zur Erzeugung elektrischer Energie ausgenutzt werden. Ein entsprechendes Prinzip ist auch in
DE 43 33 889 A1 offenbart.
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Aus
DE 29 39 726 A1 ist ein Wasserkraftwerk bekannt, wobei die vertikale Lageänderung eines auf einer Wasseroberfläche schwimmenden Verdrängungskörpers über ein mechanisches Getriebe auf einen mechanisch-elektrischen Energiewandler übertragen wird.
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Herkömmliche Wasserkraftwerke mit Turbinen weisen bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit des zuströmenden Wassers eine gute Energieausbeute auf. Bei relativ geringen Strömungsgeschwindigkeiten ist der Betrieb derartiger Anlagen jedoch nicht mehr wirtschaftlich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage bereitzustellen, die auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten einsetzbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Befüllvorrichtung dient dabei zum Befüllen des Verdrängungskörpers in einer in Schwerkraftrichtung höheren Lage als die Entleervorrichtung, die zum Entleeren des Verdrängungskörpers dient. Der Verdrängungskörper im leeren Zustand weist ein spezifisches Gewicht auf, das geringer ist als das spezifische Gewicht des Fluids im Raum. Dadurch ist die Auftriebskraft größer als die auf den Verdrängungskörper wirkende Gewichtskraft, so dass der Verdrängungskörper im leeren Zustand, also von der Entleervorrichtung zur Befüllvorrichtung, aufsteigt. In der Befüllvorrichtung wird der Verdrängungskörper nun mit dem flüssigen Medium befüllt. Dadurch erhöht sich das spezifische Gewicht des Verdrängungskörpers beziehungsweise die auf den Verdrängungskörper wirkende Gewichtskraft. Sobald diese Gewichtskraft die Auftriebskraft übersteigt, sinkt der Verdrängungskörper ab, und zwar von der Befüllvorrichtung zur Entleervorrichtung. Dafür kann gegebenenfalls eine Führung vorgesehen sein. Diese im Wesentlichen vertikale Bewegung des Verdrängungskörpers kann nun zur Erzeugung elektrischer Energie ausgenutzt werden, beispielsweise über Induktion. Dabei können auch mehrere Verdrängungskörper parallel nebeneinander angeordnet sein.
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Der Verdrängungskörper weist mindestens einen Durchgangskanal auf, durch den das Fluid während der Bewegung des Verdrängungskörpers strömen kann. Vorzugsweise sind zwei, drei, vier, fünf oder mehr Durchgangskanäle vorgesehen. Durch die Durchgangskanäle erfolgt zum einen eine Stabilisierung des Verdrängungskörpers während des Absinkens beziehungsweise des Aufsteigens, wobei gleichzeitig das Volumen des Verdrängungskörpers beeinflusst wird und damit das Verhältnis zwischen Auftriebskraft und Gewichtskraft.
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In dem Durchgangskanal ist mindestens ein Rotationskörper drehbeweglich angeordnet. Rotationskörper ist beispielsweise ein Flügelrad oder eine Turbine. Der Rotationskörper wird dabei durch die Relativbewegung zwischen Verdrängungskörper und Fluid in Rotation versetzt, wobei das Fluid durch die Durchgangskanäle strömt und dabei gebündelt wird. Das Fluid selbst bewegt sich dabei jedoch kaum, sondern vor allem der Verdrängungskörper. Der Rotationskörper wird also zusammen mit dem Verdrängungskörper durch das Fluid bewegt und dadurch in Rotation versetzt. Diese Rotation kann dann in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Im Verdrängungskörper ist ein mechanisch-elektrischer Energiewandler angeordnet. Ein derartiger Energiewandler ist beispielsweise ein Generator, der mit dem oder den Rotationskörpern gekoppelt ist. Durch die Anordnung des Energiewandlers im Verdrängungskörper kann die Energie fast direkt am Ort ihrer Entstehung umgewandelt werden. Es sind daher nur geringe Leistungsverluste zu erwarten.
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Vorteilhafterweise ist der Raum durch einen mit dem Fluid gefüllten Zylinder gebildet, wobei an seinem in Schwerkraftrichtung oberen Ende die Befüllvorrichtung und an seinem in Schwerkraftrichtung unteren Ende die Entleervorrichtung angeordnet ist. Der Raum wird also durch den Zylinder definiert, der beispielsweise eine rechteckige oder runde Querschnittsfläche aufweist. Das Fluid kann in dem Zylinder im Wesentlichen verlustfrei gehalten werden, so dass ein Ersatz dieses Fluids in der Regel nicht erforderlich ist. Dabei können die Befüllvorrichtung und die Entleervorrichtung in den Zylinder integriert sein, so dass insgesamt eine kompakte Anlage erhalten wird.
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Bevorzugterweise entspricht eine Grundfläche des Zylinders einer Querschnittsfläche des Verdrängungskörpers. Dadurch wird erreicht, dass das durch die Bewegung des Verdrängungskörpers verdrängte Fluid vollständig durch den oder die Durchgangskanäle hindurchströmen muss und damit die Rotationskörper in eine Drehbewegung versetzt.
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Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Verdrängungskörpers und einer Innenseite des Zylinders mindestens ein Dichtelement angeordnet ist. Das durch die Bewegung des Verdrängungskörpers verdrängte Fluid kann also nicht zwischen der Innenseite des Zylinders und der Umfangsfläche des Verdrängungskörpers hindurch gelangen. Vielmehr muss es durch die Durchgangskanäle strömen, in denen die Rotationskörper angeordnet sind. Dadurch wird gewährleistet, dass die Bewegungsenergie vollständig in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Vorzugsweise sind das Medium und das Fluid die gleiche Flüssigkeit und weisen insbesondere Wasser auf. Wenn das Medium und das Fluid die gleiche Flüssigkeit sind, ist eine gegenseitige Verunreinigung nicht zu befürchten. Wasser kommt in der Natur sehr häufig vor und kann ohne weiteres zum Betrieb der Anlage verwendet werden. Dabei kann das Wasser von der Entleervorrichtung auch ohne weiteres in die Umgebung abgegeben werden, ohne dass besondere Umweltauflagen zu berücksichtigen sind.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Befüllvorrichtung mit einem kontinuierlichen Zulauf verbunden ist und gegebenenfalls einen Speicher für das flüssige Medium aufweist. Ein kontinuierlicher Zulauf kann beispielsweise ein Wasserlauf sein. Durch die Verwendung eines Speichers ist dabei keine große Zulaufmenge erforderlich. Das zulaufende Wasser wird vielmehr im Speicher so lange gespeichert, bis der Verdrängungskörper an der Befüllvorrichtung anliegt, wobei der Speicher in den Verdrängungskörper geleert wird und gleichzeitig auch aus dem kontinuierlichen Zulauf flüssiges Medium in den Verdrängungskörper geführt werden kann. Die Zeit, die der Verdrängungskörper zwischen Befüllvorrichtung und Entleervorrichtung sowie wieder zurück unterwegs ist, kann also dann bereits zum Vorbereiten eines neuen Befüllvorgangs genutzt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit, mit der die Rotationskörper angetrieben werden, hängt dabei nicht von der Zulaufgeschwindigkeit des zuströmenden flüssigen Mediums beziehungsweise Wassers ab, sondern von der Senk- beziehungsweise Steiggeschwindigkeit des Verdrängungskörpers. Diese bestimmt sich im Wesentlichen über die Resultierende aus Gewichtskraft und Auftriebskraft. Dabei kann diese Bewegungsgeschwindigkeit relativ konstant gehalten werden, so dass die Rotationskörper immer im optimalen Bereich arbeiten. Damit ist eine sehr effiziente Energieausbeute auch bei geringen Zulaufgeschwindigkeiten zu erwarten.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorgehensweisen wird also nicht das flüssige Medium entlang der Rotationskörper, die beispielsweise Turbinen oder Flügelräder sind, vorbei bewegt, sondern es werden die Rotationskörper durch das Fluid bewegt, wobei diese in Rotation versetzt werden. Das Fluid selbst kann dabei in einem geschlossenen Raum gespeichert sein, beispielsweise in einem Zylinder. Die Bewegung des Verdrängungskörpers, die für die Relativbewegung zwischen den Rotationskörpern und dem Fluid maßgeblich ist, ist aber relativ gut steuerbar. Auch bei geringem Zulauf eines flüssigen Mediums, wie beispielsweise Wasser, kann dabei eine relativ große Bewegungsgeschwindigkeit erreicht werden. Dabei ist es möglich, die Rotationskörper immer in eine optimale Geschwindigkeit zu versetzen, so dass ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1 einen Querschnitt durch eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie und
- 2 eine Draufsicht auf die Anlage nach 1.
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In 1 ist eine Anlage 1 zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden, flüssigen Medium, wie beispielsweise Wasser, dargestellt, die einen Zylinder 2 aufweist, der einen mit einem Fluid gefüllten Raum 3 umfasst.
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Innerhalb des Zylinders 2 ist ein Verdrängungskörper 4 angeordnet, der sowohl in einer in Schwerkraftrichtung oberen ersten Stelle 5 und einer in Schwerkraftrichtung tieferen Stelle 6 gezeigt ist. Die erste Stelle 5 entspricht dabei dem in Schwerkraftrichtung oberen Ende des Zylinders 2 und die zweite Stelle 6 dem in Schwerkraftrichtung unteren Ende des Zylinders 2.
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Am oberen Ende des Zylinders 2 ist eine Befüllvorrichtung 7 angeordnet, die durch gestrichelte Linien dargestellt werden soll, die entsprechende Zulaufsteuerungen symbolisieren. Die Befüllvorrichtung 7 ist mit einem Zulauf 8 verbunden, durch den kontinuierlich flüssiges Medium, beispielsweise Wasser, zugeführt wird. Das Wasser kann dabei beispielsweise einem Flusslauf entnommen werden.
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In der Befüllvorrichtung 7 erfolgt ein Befüllen des Verdrängungskörpers 4 mit flüssigem Medium, bis die auf den Verdrängungskörper 4 wirkende Gewichtskraft eine Auftriebeskraft übersteigt, die auf den Verdrängungskörper durch das im Raum 3 befindliche Fluid ausgeübt wird. Der Verdrängungskörper 4 beginnt dann zu sinken, bis er am unteren Ende 6 des Zylinders 2 eine Entleervorrichtung 9 erreicht. In der Entleervorrichtung 9 wird das flüssige Medium aus dem Verdrängungskörper 4 entlassen. Das flüssige Medium entströmt dann durch einen Ablauf 10, beispielsweise zurück in ein Flussbett. Durch eine entsprechende Abdichtung in der Entleervorrichtung 9 wird dabei sichergestellt, dass das im Raum 3 befindliche Fluid nicht durch den Ablauf 10 entweichen kann.
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In 2 ist die Anlage 1 in Draufsicht dargestellt. Der Verdrängungskörper 4 weist dabei eine kreisrunde Querschnittsfläche auf, die einer Grundfläche des Zylinders 2 entspricht. Zwischen einer Umfangsfläche des Verdrängungskörpers 4 und einer Innenseite des Zylinders 2 ist also nur wenig Raum, der zusätzlich noch durch ein nicht dargestelltes Dichtelement abgedichtet sein kann. Der Verdrängungskörper 4 weist bei diesem Ausführungsbeispiel 3 Durchgangskanäle 11, 12, 13 auf, in denen jeweils ein Rotationskörper 14, 15, 16 drehbeweglich angeordnet ist. Bei einer Bewegung des Verdrängungskörpers durch den Zylinder, also beim Absenken von der Befüllvorrichtung zur Entleervorrichtung beziehungsweise beim Auftauchen von der Entleervorrichtung zur Befüllvorrichtung wird durch den Verdrängungskörper 4 das im Raum 3 befindliche Fluid verdrängt und durch die Durchgangskanäle 11, 12, 13 gezwängt. Gleichzeitig werden mit der Bewegung des Verdrängungskörpers 4 die Rotationskörper 14, 15, 16 durch das im Raum 3 befindliche Fluid bewegt. Dadurch werden die Rotationskörper 14, 15, 16 in Rotation versetzt, wobei diese Bewegungsenergie mit einem mechanisch-elektrischen Energiewandler in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Der mechanisch-elektrische Energiewandler kann dabei innerhalb des Verdrängungskörpers 4 angeordnet sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem flüssigen Medium, insbesondere aus Wasserkraft, wird die Schwerkraft beziehungsweise Gewichtskraft und die durch die Verdrängung wirkende Auftriebskraft ausgenutzt, um mittels Rotationskörpern, wie beispielsweise Turbinen oder Flügelrädern, Strom zu erzeugen. Dabei wird nicht das Wasser beziehungsweise das flüssige Medium entlang der drehbeweglich, aber ansonsten fest stehenden Rotationskörper bewegt, sondern die Rotationskörper werden in Verbindung mit einem Verdrängungskörper durch das flüssige Medium bewegt. Dadurch ist eine relativ konstante Strömungsgeschwindigkeit einstellbar, die durch die Menge an Wasser, das im Verdrängungskörper aufgenommen wird, und der Anzahl und Dimensionierung der Durchgangskanäle bestimmt wird.
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Die Beispielsweise in einem Fluss vorhandene Strömungsgeschwindigkeit des Wassers spielt dadurch keine große Rolle. Die elektrische Anlage ist damit auch bei relativ geringen Durchflussmengen verwendbar.
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Durch das Befüllen des Verdrängungskörpers in der Befüllvorrichtung erhöht sich sein spezifisches Gewicht, so dass dieser schließlich absinkt. Durch die in den Durchgangskanälen angeordneten Rotationskörper wird dabei Strom erzeugt. Dieser Strom kann dann durch eine Verkabelung oder auch kabellos, beispielsweise induktiv, übertragen werden und in ein Stromnetz oder einen Energiespeicher eingespeist werden.
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Wenn der Verdrängungskörper auf dem Boden des Zylinders angekommen ist, wird er entleert, so dass sein spezifisches Gewicht verringert wird und der Verdrängungskörper wieder nach oben steigt. Beim Aufsteigen werden die in den Durchgangskanälen angeordneten Rotationskörper wieder in Bewegung versetzt und erzeugen damit Strom. Eine vertikale Auf- und Abbewegung eines mit Rotationskörpern versehenen Verdrängungskörpers durch einen fluidgefüllten Raum dient also zur Erzeugung elektrischer Energie. Eine derartige elektrische Anlage kann als Schwerkraftkraftwerk bezeichnet werden und beispielsweise in Verbindung mit natürlichem Wasservorkommen, wie zum Beispiel Flussläufen, eingesetzt werden. Auch in Verbindung mit Bauwerken ist ein Einsatz der Anlage denkbar, wobei der Verdrängungskörper beispielsweise über mehrere Stockwerke abgesenkt werden kann. Zum Beispiel kann die elektrische Anlage in einen Heizungskreislauf integriert werden. Andere Einsatzmöglichkeiten sind beispielsweise Aufzüge bzw. Aufzugsschächte oder auch Berghänge.
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Die Abmessungen des Zylinders und des Verdrängungskörpers sind vom jeweiligen Einsatzgebiet abhängig. Dabei sollten vorzugsweise nicht rostende Materialien verwendet werden, beispielsweise Edelstahl oder Kunststoffe.
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Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht einen effizienten elektrischen Energiegewinn auch aus nur in geringer Durchflussmenge zuströmendem flüssigem Medium, wobei auch ein unstetiger Zufluss möglich ist. Insbesondere bei der Verwendung von Wasser als flüssigem Medium ergeben sich dadurch vielfältige Einsatzmöglichkeiten.
