Einleitungintroduction
Die der vorliegenden Anmeldung zugrunde Liegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung nützlicher Energie durch die Nutzung der kinetischen Energie eines fluiden Mittels, das über eine in die Länge ausgedehnte Strecke über ausreichendes Momentum verfügt.The invention underlying the present application relates to a device for generating useful energy by utilizing the kinetic energy of a fluid agent having sufficient momentum over an extended length.
Das fluide Mittel kann gasförmig oder liquid sein, besteht jedoch insbesondere aus strömendem Wasser, wie es in Flüssen, Wildbächen und in Meeresgewässern als Oberflächen- bzw Unterwasserströmungen, oder bei Ebbe und Flut vorkommt.The fluid agent can be gaseous or liquid, but consists in particular of flowing water, as occurs in rivers, torrents and marine waters as surface or underwater currents, or at low tide and high tide.
Der wesentliche Unterschied der Erfindung zu den herkömmlichen, durch Wasserkraft Energie erzeugenden Anlagen, die von bekannten Turbinen, wie Pelton-( US-A-233692 ) oder Gorlovturbinen ( US-A-7,938,622 , US-A-7,456,514 ) Gebrauch machen, oder Unterwassergeneratoren verwenden, die nur örtlich durch die Wassermassen in eine Kreisbewegung versetzt werden, liegt in der linearen Ausdehnung der erfindungsgemässen Vorrichtung, die an mehreren Stellen kummulativ ”Energiepakete” aus den bewegten Wassermassen sammelt, die summarisch an einen Generator, insbesondere einen elektrischen Generator, zu seinem Antrieb übertragen werden. Ein Übersichtsartikel zu den bekannten Technologien zur Energiegewinnung durch Wasserkraft wurde von Jahangir Khan und Gouri S. Bhuyan verfasst (OCEAN ENERGY: GLOBAL TECHNOLOGY DEVELOPMENT STATUS; Final Technical Report IEA-OES Document No.: T0104; Powertech Labs Inc., Britsh Columbia Canada, March 2009) . Im Gegensatz zu den bekannten Systemen umfasst die erfindungsgemässe Vorrichtung eine Anzahl von linear miteinander angekoppelten Elementen, im folgenden Zugelemente genannt, die durch das auf sie aufströmende Wasser in eine Vorwärtsbewegung versetzt werden und somit mechanische Energie aufnehmen, die an eine entfernte Stelle – an z. B. einen Endverbraucher – kontinuierlich übertragen werden kann. Dem entsprechend reicht es, dass aufgrund der synergistischen Wirkung aller in das Wasser eingetauchten Zugelemente nur an einer bestimmten Stelle, die aus mehreren Wasserbereichen gesammelte Energie in eine nützliche Energieform gewandelt wird. Insbesondere ist elektrische Energie, erzeugt durch einen Stromgenerator, der am System aller miteinender gekoppelten Zugelemente funktional angeschlossen ist, eine nützliche Energieform. Mit anderen Worten wird Energie strömenden Wassers entlang einer beachtlichen Länge in Strömungsrichtung über aneinander angekoppelte Zugelemente in „Energiepaketen” gesammelt und die Gesamtsumme der Energiepakete an lediglich einen Stromgenerator oder an nur eine kleine Zahl solcher Generatoren übertragen.The essential difference of the invention to the conventional hydropower-producing plants used by known turbines, such as Pelton ( US-A-233692 ) or Gorlov turbines ( US-A-7,938,622 . US-A-7,456,514 ) Use, or use underwater generators, which are only locally displaced by the water masses in a circular motion, lies in the linear expansion of the inventive device, which accumulates in several places cumulatively "energy packets" from the moving masses of water, which in summary to a generator, in particular an electric generator, are transmitted to its drive. A review of the known technologies for generating energy through hydropower was published by Jahangir Khan and Gouri S. Bhuyan (OCEAN ENERGY: GLOBAL TECHNOLOGY DEVELOPMENT STATUS; Final Technical Report IEA-OES Document No .: T0104; Powertech Labs Inc., Britsh Columbia Canada, March 2009) , In contrast to the known systems, the inventive device comprises a number of linearly coupled together elements, hereinafter referred to as tension elements, which are offset by the water flowing on them in a forward movement and thus absorb mechanical energy to a remote location - to z. B. an end user - can be transmitted continuously. Accordingly, it is sufficient that due to the synergistic effect of all immersed in the water traction elements only at a certain point, the energy collected from several water areas is converted into a useful form of energy. In particular, electrical energy generated by a power generator operatively connected to the system of all interconnected pull members is a useful form of energy. In other words, energy of flowing water is collected along a considerable length in the direction of flow via mutually coupled tension elements in "energy packets" and the total sum of the energy packets is transmitted to only one power generator or to only a small number of such generators.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung entsprechender Vorrichtungen zur Energieerzeugung.The invention also relates to the use of corresponding devices for power generation.
Wichtig ist es, dass die miteinander gekoppelten Zugelemente nach ihrer Bewegung entlang der Strömungsrichtung in einem Energie liefernden Modus ohne erheblichen Energieaufwand gegen die Strömungsrichtung an ihre ursprüngliche Position rückgeführt werden können. Eine große Anzahl von besonderen Ausführungsformen zur Realisierung des vorstehenden Zieles ist vorstellbar. In der vorliegenden Anmeldung werden zwei Gruppen von praktischen Vorrichtungen, die den o. g. Anforderungen genügen, beschrieben. Weitere Möglichkeiten werden nur ansatzmäßig kurz angesprochen.It is important that the mutually coupled tension elements can be returned to their original position after their movement along the flow direction in an energy-supplying mode without significant energy expenditure against the flow direction. A large number of particular embodiments for realizing the above object is conceivable. In the present application, two groups of practical devices, comprising the o. G. Meet requirements described. Other options are only briefly addressed in terms of approach.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Energiegewinnung, insbesondere elektrischer Energie, durch die Nutzung der Strömungsenergie eines Gases oder einer Flüssigkeit, insbesondere Luft oder Wasser, insbesondere von strömendem Wasser in Flüssen, Bächen, Wildbächen oder im Meer, und zwar über sehr große Distanzen entlang der Strömungsrichtung, d. h. über mehrere Meter, hunderte oder sogar tausende von Metern. Dabei werden eine Reihe von Zugelementen, die in der Lage sind, der Wasserströmung einen beachtlichen Widerstand entgegen zu setzen, entlang der Strömungsrichtung angeordnet und miteinander verbunden und zwar so, dass sie gemeinsam in Strömungsrichtung in Bewegung gesetzt werden. Die mechanische Energie, die der Verbund der kettenförmig miteinander gekoppelten Zugelemente aufnimmt, kann an eine zentrale Stelle übertragen werden und dort in elektrische Energie umgewandelt werden.The invention also relates to a method for obtaining energy, in particular electrical energy, by the use of the flow energy of a gas or a liquid, in particular air or water, in particular of flowing water in rivers, streams, torrents or in the sea, over very large distances along the flow direction, d. H. over several meters, hundreds or even thousands of meters. In this case, a number of tension elements, which are able to set a considerable resistance to the water flow, arranged along the flow direction and connected to each other so that they are set together in the flow direction in motion. The mechanical energy that absorbs the composite of the chain-like coupled traction elements can be transferred to a central location and converted there into electrical energy.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Der Kern der Erfindung beruht auf der Nutzung der Kraft, die auf einen sich in einem Strömungsfeld befindlichen Gegenstand bzw. Körper wirkt. Es ist günstig und sinnvoll, solche Gegenstände zu wählen, die aufgrund ihrer Form und/oder ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder anderer physikalischer Eigenschaften der Strömung einen möglichst großen Widerstand entgegen setzen, und zwar Widerstand pro Querschnittsflächen und senkrecht zur Strömungsrichtung. Das heißt Gegenstände, die einen hohen Fluidwiderstandsbeiwert aufweisen. Derartige Gegenstände, hier auch als Zugelemente bezeichnet, unterliegen einer starken Zugkraft je nach der Größe der relativen Geschwindigkeit zwischen jener des strömenden fluiden Mittels, insbesondere des Wassers, und ihrer eigenen. Dabei ist es erwünscht, dass an der Vorderseite eines Zugelements laminare Strömung überwiegt, wohingegen an seiner Rückseite möglichst eine einen Unterdruck begünstigende turbulente Strömung vorherrscht. Wenn solche Zugelemente miteinander verkettet sind, entsteht eine beachtliche Gesamtkraft, die auf die Druckdifferenz zwischen der Front- und der Rückseite der einzelnen Zugelemente zurückzuführen ist. Diese Kraft kann, weitergeleitet, auf einen Energiewandler wie z. B. einen Stromgenerator wirken, damit dieser nützliche Energie erzeugt.The gist of the invention is based on the use of force acting on an article or body located in a flow field. It is expedient and sensible to select those objects which, owing to their shape and / or their material composition and / or other physical properties, oppose the flow as great as possible, namely resistance per cross-sectional area and perpendicular to the flow direction. That is, objects having a high fluid resistance coefficient. Such articles, also referred to herein as traction elements, are subject to a strong tensile force depending on the magnitude of the relative velocity between that of the flowing fluid agent, in particular of the water, and their own. It is desirable that laminar flow prevails at the front side of a tension element, whereas at its rear side as far as possible a turbulent flow favoring a negative pressure prevails. If such tension elements with each other are linked, results in a considerable total force, which is due to the pressure difference between the front and the back of the individual tension elements. This force can, forwarded to an energy converter such. B. act a power generator, so that it generates useful energy.
Nachdem die o. g. Zugelemente über eine ausreichend lange Strecke zur Erzeugung nützlicher Energie beigetragen haben, werden sie mittels eines geeigneten Systems ohne hohen energetischen Aufwand an ihre ursprüngliche Position rückgeführt. Das Energie erzeugende Verfahren wiederholt sich in dieser Weise in zeitlichen Zyklen. Die Anordnung, enthaltend die kettenförmig miteinander gekoppelten Zugelemente, die beispielsweise durch Wasserströmung einer vorwärts gerichteten Zugkraft unterliegen, kann an den Ufern eines Flusses, am Meeresrand, am oder im Fluss- oder Meeresbett befestigt sein, oder gemäß einer besonderen Ausführungsform im Wasser schwimmen und gleichzeitig an einem oder an mehreren festen Stellen, wie z. B. am Meeresboden, angebunden oder verankert werden.After the o. G. Tensile elements have contributed over a sufficiently long distance to generate useful energy, they are returned by means of a suitable system without high energy costs to their original position. The energy generating process repeats in this way in time cycles. The assembly comprising the tension members coupled together in a chain-like manner, which are subject to a forward traction, for example, by water flow, may be attached to the banks of a river, at the seaside, at or in the river bed, or, according to a particular embodiment, float in the water and at the same time at one or more fixed points, such. B. on the seabed, tied or anchored.
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen werden die Grundprinzipien der Erfindung veranschaulicht, die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht nur auf die konkret beschriebenen Beispiele.In the embodiments described below, the basic principles of the invention are illustrated, but the invention is not limited to the specific examples described.
Abbildungenpictures
Die 1a und 1b zeigen Diagramm-Darstellungen einer längstgestreckten Anordung, die gemäß dem erfindungsgemäßen Prinzip elektrische Energie aus der Energie strömenden Wassers erzeugen kann.The 1a and 1b show diagrammatic representations of an elongated arrangement which can generate electrical energy from the energy flowing water according to the inventive principle.
Die 2a, 2b erläutern wie der in 1b abgebildete Rahmen (1) über eine am festen Boden befestigte, solide Konstruktion (2a) oder schwimmend über Verankerungselementen (2b) in Position gehalten wird.The 2a . 2 B explain how the in 1b pictured frames ( 1 ) via a solid construction fixed to the ground ( 2a ) or floating over anchoring elements ( 2 B ) is held in position.
3 zeigt eine alternative Anordnung, die an die Nutzung von tieferen Strömungen, wie sie oft in Meeresgewässern vorkommen, angepasst ist. Die Länge der Vorrichtung ist vorzugsweise wesentlich größer als ihre Tiefe. 3 shows an alternative arrangement that is adapted to the use of deeper currents, as they often occur in marine waters. The length of the device is preferably substantially greater than its depth.
In der 4 wird erläutert, wie die Unterwasserführung einer langen Kette von Zugelementen (9) realisiert werden kann. Die 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f und 4g zeigen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen die Zugelemente (9) nach Änderung ihrer Ausrichtung mit geringem Energieaufwand innerhalb eines strömenden, fluiden Mittels, insbesondere Wasser, an ihre ursprünglichen Postionen rückgeführt werden können.In the 4 explains how the underwater guidance of a long chain of tension elements ( 9 ) can be realized. The 4a . 4b . 4c . 4d . 4e . 4f and 4g show various embodiments of the device according to the invention, in which the tension elements ( 9 ) can be returned to their original positions after changing their orientation with little expenditure of energy within a flowing, fluid agent, in particular water.
Die 5a, 5b und 5c veranschaulichen unterschiedliche Verkettungssysteme zur Koppelung von benachbarten Zugelementen.
Das in der 5a abgebildete Zugelement (9) sieht im Betriebmodus wie ein invertiertes Segel mit einem diagonalen Zugseil aus.
Das in der 5b abgebildete Zugelement (9) verfügt über zwei Seitenstangen (19), die ungefähr in einem Winkel von 90° zu den großflächigen Seiten des Zugelements, d. h. etwa parallel zur linearen Anordnung einer Mehrzahl von hintereinander angekoppelten Zugelementen (9) stehen. Diese Seitenstangen (19) sind ausreichend lang, so dass sie sich an den seitlich herrausragenden Stützelementen (20), die an der Ankoppelungsstelle des sich direkt davor befindlichen Zugelements (9) vorgesehen sind, stützen können, so dass eine freie Rotation des dahinter liegenden Zugelements (9) um seine eigene Ankoppelungsstelle zum Seil (7) verhindert wird.
Die 5c zeigt Zugelemente, die miteinander über Schwenkmechanismen, wie Gelenkverbindungen (22) verbunden sind.The 5a . 5b and 5c illustrate different linking systems for coupling of adjacent tension elements.
That in the 5a pictured tension element ( 9 ) looks like an inverted sail with a diagonal pull rope in operation mode.
That in the 5b pictured tension element ( 9 ) has two side bars ( 19 ), which is approximately at an angle of 90 ° to the large-area sides of the tension element, ie approximately parallel to the linear arrangement of a plurality of train elements coupled in series (FIG. 9 ) stand. These side bars ( 19 ) are sufficiently long so that they attach to the laterally projecting support elements ( 20 ) located at the docking point of the directly in front of the tension element ( 9 ), so that a free rotation of the underlying traction element ( 9 ) around its own docking point to the rope ( 7 ) is prevented.
The 5c shows tension elements connected to each other via pivot mechanisms, such as articulations ( 22 ) are connected.
6 zeigt Alternativlösungen zum Verhindern von unangemessen hohen Spannungen an den Endrädern, die durch das steigende Gewicht einer langen Kette von Zugelementen entstehen kann. 6 shows alternative solutions for preventing unduly high stresses on the end wheels, which can result from the increasing weight of a long chain of tension members.
7 zeigt unterschiedliche Typen von Zugelementen, die auch bei üblichen, in der Natur vorkommenden Strömungsgeschwindigkeiten von Wasser in der Lage sind, zu ausreichend hohen Reynoldszahlen zu führen, die Turbulenzen an den Hinterseiten der Zugelemente (9) hervorrufen können. 7 shows different types of tension elements, which are able to lead to sufficiently high Reynolds numbers even at normal, naturally occurring flow velocities of water, the turbulence at the rear sides of the tension elements ( 9 ).
8 zeigt eine besondere Ausgestaltung eines Rahmens (1), der mit Strömungseingrenzungen, z. B. Seitenwänden (23), versehen ist. 8th shows a particular embodiment of a frame ( 1 ), with flow confines, z. B. side walls ( 23 ) is provided.
In der 1 wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die kinetische Energie strömender Fluide wie Wasser und Luft ist beachtlich, liegt jedoch in der Natur leider nicht an bestimmten Stellen in konzentrierter Form vor. Die verfügbare Energie sollte daher an mehreren Stellen gesammelt werden, ehe sie in nützliche Energie umgewandelt wird. Es ist einerseits bekannt, sehr breite und lange Felder mit Windmühlen auszurüsten. Auch Unterwassergeneratoren werden zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt, sie sind jedoch nicht einfach zu installieren. Noch schwieriger ist es, ausgedehnte Unterwassergebiete entsprechend auszurüsten. Bei Wasserwerken müssen aufwendige Wasserumleitungs- und Speichersysteme gebaut werden, damit herkömmliche Wasserturbinen angetrieben werden können. Erfindungsgemäss sollte die verfügbare kinetische Energie von strömendem Wasser wie es über eine erhebliche Länge in der Natur vorkommen kann, vor Ort und entlang des Strömungsfeldes gesammelt, und an einen Energiewandler, z. B. an einen Stromgenerator, übertragen werden.In the 1 the principle of the present invention is illustrated. The kinetic energy of flowing fluids such as water and air is considerable, but unfortunately it is not present in concentrated form in nature. The available energy should therefore be collected in several places before it is converted into useful energy. On the one hand, it is known to equip very wide and long fields with windmills. Even underwater generators are used to generate electrical energy, but they are not easy to install. It is even more difficult to equip extensive underwater areas accordingly. In waterworks, complex water diversion and storage systems need to be built to power conventional water turbines. According to the invention, the available kinetic energy from flowing water, as may occur over a substantial length in nature, should be collected on site and along the flow field, and at one Energy converter, z. B. to a power generator, transferred.
Dieses Ziel kann dadurch erreicht werden, dass funktionell miteinander gekoppelte Zugelemente (9) von z. B. strömendem Wasser langsamer als die Strömungsgeschwindigkeit angetrieben werden und die Kraft, die vom anströmenden Wasser auf sie wirkt, an einen entfernten Stromgenerator weitergeleitet wird. Das folgende Modell veranschaulicht dieses Prinzip:This goal can be achieved by providing functionally coupled tension elements ( 9 ) from Z. B. flowing water are driven slower than the flow velocity and the force that acts on them from the incoming water, is forwarded to a remote power generator. The following model illustrates this principle:
Symbole:symbols:
-
-
t:t:
-
ZeitTime
-
s:s:
-
Strecke, die durch ein Zugelement durchläuftCourse passing through a tension element
-
u:u:
-
Geschwindigkeit des strömenden fluiden Mittels, insbesondere WassersSpeed of the flowing fluid, in particular water
-
v:v:
-
Geschwindigkeit des Zugelements Speed of the tension element
-
u – v:u - v:
-
Relative Geschwindigkeit des strömenden fluiden Mittels, z. B. des Wassers zum ZugelementRelative velocity of the flowing fluid, e.g. B. the water to the tension element
-
A:A:
-
Querschnittsfläche des Zugelements senkrecht zur StrömungsrichtungCross-sectional area of the tension element perpendicular to the flow direction
-
F:F:
-
Durchschnittskraft über die Querschnittsfläche A des ZugelementsAverage force over the cross-sectional area A of the tension element
-
P:P:
-
Leistungpower
-
E:e:
-
Energieenergy
-
k:k:
-
Eine Konstante, die systemcharakteristisch istA constant that is systemic
Modellberechnung:Model calculation:
-
Angenommen, dass annäherungsweise F = k(u – v)(u – v).Suppose that approximately F = k (u - v) (u - v).
Berechnung der maximalen Leistung, die durch ein Zugelement verfügbar wird: E = Fs = k(u – v)(u – v)s P = E/t = k(u – v)s/t = k(u – v)(u – v)v Calculation of the maximum power available from a tension element: E = Fs = k (u - v) (u - v) s P = E / t = k (u - v) s / t = k (u - v) (u - v) v
Die maximale Leistung wird bei einem v-Wert erreicht bei dem die Ableitung dP/dt = 0, d. h. wenn v = u/4 oder v = u. Die physikalisch sinnvolle Lösung beträgt v = u/4.The maximum power is achieved at a v-value at which the derivative dP / dt = 0, d. H. if v = u / 4 or v = u. The physically reasonable solution is v = u / 4.
Bei einem Modell, bei dem
F = k(u – v), ermittelt man eine maximale Leistung P wenn v = u/2.In a model in which
F = k (u - v), one obtains a maximum power P if v = u / 2.
Im Falle anderer empirischer Funktionswerte F(v), die die Abhängigkeit der Kraft F von der der augenblicklichen Geschwindigkeit eines Zugelements darstellt, kann man auf ähnliche Weise durch numerische Differenzierung die optimale Geschwindigkeit der Zugelemente errechnen. Diese optimale Geschwindigkeit kann wiederum durch die Leistung eines angekoppelten Stromgenerators geregelt werden, da der Widerstand, der von einem laufenden Generator erzeugt wird, die Vorwärtsbewegung der Zugelemente bremst.In the case of other empirical function values F (v), which represents the dependence of the force F on the instantaneous speed of a tension element, it is likewise possible by numerical differentiation to calculate the optimum speed of the tension elements. This optimum speed can in turn be regulated by the power of a coupled current generator, since the resistance generated by a running generator slows down the forward movement of the tension members.
Typ 1 der ErfindungType 1 of the invention
Die 1a zeigt in seitlicher Perspektive eine energieliefernde Anordnung (abgekürzt ELA) gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die 1b zeigt eine Vogelperspektive des Grundgerüsts und der Endräder der selben Anordnung. Nahe den zwei gegenüberliegenden Enden eines langgestreckten Rahmens (1) und zwischen zwei beabstandeten Seitenbalken (2) wird jeweils eine senkrecht zu den Seitenbalken (2) angeordnete Rotationsachse (3a, 3b) eingebaut. Je ein Endrad (4a, 4b) kann um jede Rotationsachse (3a, 3b) frei rotieren. Das eine Endrad (4a) ist so ausgestaltet, dass es um die ihm zugeordnete Rotationsache (3a) über stab- oder zahnförmige Elemente (5a) verfügt, die als Verzahnungsvorrichtungen dienen, an denen passende Gegenstücke (6) eingreifen können. Die kettenförmige Anordnung von Zugelementen (9) umläuft die Endräder (4a, 4b), wobei die Gegenstücke (6) an bestimmten aufeinander folgenden Stellen der kettenförmigen Anordnung von Zugelementen (9) angebracht sind. Die Zugelemente (9) der kettenförmigen Anordnung sind in regelmässigen Abständen zueinander an einer Kette, bzw. an einem Seil oder Doppelseil (7) befestigt. So zum Beispiel an Befestigungsstellen, die nah zu einem ihrer Endbereiche (8a), in anderen Worten nahe zu einem ihrer Ränder, liegen. Die kettenförmige Anordnung ist so konzipiert, dass die Zugelemente (9) möglichst derart ausgerichtet sind, dass sie eine maximale mechanische Kraft durch aufströmendes Wasser, das gegen sie fliesst, erfahren. Mit anderen Worten sind die Zugelemente (9) möglichst so ausgerichtet, dass sie einen starken hydromechanischen Widerstand leisten. Um eine Drehbewegung um die Befestigungsstellen der Zugelemente (9) zu verhindern, werden – gemäss einer besonderen Ausführungsform der Erfindung – die Zugelemente (9) an Stellen (8b), die von den ihnen gegenüberliegenden Endbereichen (8a) ausreichend enfernt sind, mittels flexiblen drahtförmigen Verbindungen (10) diagonal mit benachbarten Stellen der Kette (bzw. des Seils) (7) verbunden.The 1a shows in side perspective an energy-providing arrangement (abbreviated ELA) according to an embodiment of the present invention. The 1b shows a bird's eye view of the skeleton and the end wheels of the same arrangement. Near the two opposite ends of an elongated frame ( 1 ) and between two spaced sidebars ( 2 ) is one perpendicular to the side bars ( 2 ) arranged axis of rotation ( 3a . 3b ) built-in. One end wheel each ( 4a . 4b ) can rotate around each rotation axis ( 3a . 3b ) rotate freely. The one end wheel ( 4a ) is designed in such a way that it revolves around the rotation axis ( 3a ) via rod or tooth-shaped elements ( 5a ), which serve as gearing devices to which matching counterparts ( 6 ) can intervene. The chain-like arrangement of tension elements ( 9 ) rotates the end wheels ( 4a . 4b ), the counterparts ( 6 ) at certain successive points of the chain-shaped arrangement of tension elements ( 9 ) are mounted. The tension elements ( 9 ) of the chain-like arrangement are at regular intervals to each other on a chain, or on a rope or double rope ( 7 ) attached. For example, at attachment points that are close to one of their end regions ( 8a ), in other words close to one of its edges. The chain-shaped arrangement is designed so that the tension elements ( 9 ) are aligned as much as possible so that they receive a maximum mechanical force by flowing water flowing against them. In other words, the tension elements ( 9 ) aligned as much as possible so that they provide a strong hydromechanical resistance. To a rotational movement about the attachment points of the tension elements ( 9 ), according to a particular embodiment of the invention, the tension elements ( 9 ) in places ( 8b ), which are separated from the end regions ( 8a ) are sufficiently remote, by means of flexible wire-shaped connections ( 10 ) diagonally with adjacent points of the chain (or rope) ( 7 ) connected.
Der Rahmen (1) der ELA kann sich direkt an und parallel zur Wasseroberfläche eines Flusses oder des Meeres, oberhalb oder unterhalb davon befinden. Jedenfalls sollten die Zugelemente (9), die aufgrund des Umlaufweges, den die kettenförmige Anordnung um die Endräder (4a, 4b) zurücklegt, zeitweise oberhalb des Wassers und zeitweise im Wasser liegen. Während der Zeit, in der die Zugelemente (9) im Wasser eintauchen, erfahren sie durch das aufströmende Wasser einen starken Vorwärtsantrieb, wohingegen sie, wenn sie sich oberhalb der Wasseroberfläche befinden, von Luft umgeben sind und dort, wenn kein Wind weht, ohne grossen Widerstand auch gegen die Richtung der Wasserströmung bewegt werden können. Damit die Zugelemente (9), die oberhalb der Wasserebene bewegt werden, nicht kippen, kann man den Rahmen (1) mit darunterliegenden Laufstäben (10) und länglichen Seitenstützen (11) ausrüsten. Die Zugelemente (9) können entlang der Laufstäbe (10) gleiten bzw. rollen wenn sie mit kleinen Rädchen ausgestattet sind.The frame ( 1 ) of the ELA can be located directly on and parallel to the water surface of a river or of the sea, above or below it. In any case, the tension elements ( 9 ) due to the circulation path that the chain-shaped arrangement around the end wheels ( 4a . 4b ), temporarily above the water and temporarily in the water. During the period in which the tension elements ( 9 ) immerse yourself in the water, learn through the upflowing water provides a strong forward propulsion, whereas when it is above the surface of the water it is surrounded by air and, when there is no wind, it can be moved against the direction of the water flow without great resistance. So that the tension elements ( 9 ), which are moved above the water level, do not tilt, you can change the frame ( 1 ) with underlying bars ( 10 ) and elongated side supports ( 11 ) equip. The tension elements ( 9 ) can along the walking bars ( 10 ) slide or roll when they are equipped with small wheels.
Der Rahmen (1) wird an der gewünschten Position in Bezug auf die Wasseroberfläche entweder mit festen Mitteln, d. h. mit Befestigungselementen (13) (2a) oder schwimmend mit Hilfe von Schwimmelementen (12), die beispielsweise an den Rahmenseiten, unterhalb oder oberhalb des Rahmens (1) angebracht werden können (2b), gehalten. Die zur Befestigung des Rahmens (1) vorgesehenen Befestigungselemente (13) können vertikal, horizontal oder in einer gewünschten Neigung ausgerichtet sein, damit sie mit dem Fluss- bzw. Meeresboden oder mit seitwerts vorhandenem Festland verbunden werden. Im Schwimmmodus kann der Rahmen der ELA mit Hilfe von Ankern (13') oder anderen, analog wirkenden Vorrichtungen entgegen der schleppenden Wasserströmungskraft immobilisiert werden (2b).The frame ( 1 ) is at the desired position with respect to the water surface either by solid means, ie with fasteners ( 13 ) ( 2a ) or floating with the help of floating elements ( 12 ), for example, on the frame sides, below or above the frame ( 1 ) can be attached ( 2 B ), held. The for fixing the frame ( 1 ) provided fastening elements ( 13 ) may be oriented vertically, horizontally, or at a desired slope to be connected to the seabed or to the mainland. In swimming mode, the frame of the ELA can be anchored ( 13 ' ) or other analogously acting devices are immobilized against the trailing water flow force ( 2 B ).
Typ 2 der ErfindungType 2 of the invention
Die Zugelemente (9) dürfen gemäss einer alternativen Form der Erfindung sowohl im Energie erzeugenden Modus als auch im Rücktransportmodus gegen die Strömungsrichtung innerhalb des Strömungsfeldes liegen (4). Es sollte lediglich dafür gesorgt werden, dass im Rücktransportmodus, mittels eines geeigneten Mechanismus, die grossflächigen Seiten der Zugelemente (9) ihre Ausrichtung derart wechseln, dass bei ihrer Bewegung gegen das Strömungsfeld nur ein geringer Widerstand überwunden werden muss. In diesem Fall befinden sich die Endräder (4a, 4b), die Zugelemente (9) und die gesamte Kette (7) (bzw. das gesamte Seil (7)) innerhalb des Strömungsfeldes des fluiden Mittels, z. B. des Meereswassers, dessen kinetische Energie für die Erzeugung nützlicher Energie verwendet wird. All diese Vorrichtungskomponenten können an der Unterseite des – als eine längliche Schwimmplattform umgerüsteten – Rahmens (1) voll funktionsfähig angebracht werden.The tension elements ( 9 ) may according to an alternative form of the invention both in the energy-generating mode and in the return transport mode against the flow direction within the flow field ( 4 ). It should only be ensured that in the return transport mode, by means of a suitable mechanism, the large-area sides of the tension elements ( 9 ) Change their orientation so that only a small resistance must be overcome in their movement against the flow field. In this case, the end wheels ( 4a . 4b ), the tension elements ( 9 ) and the entire chain ( 7 ) (or the entire rope ( 7 )) within the flow field of the fluid agent, e.g. As the seawater whose kinetic energy is used for the generation of useful energy. All of these device components may be located at the bottom of the frame (as an elongated floating platform) ( 1 ) are fully functional.
Die Grundvoraussetzungen zum Erzielen der gewünschten Wirkung werden in den 4 und 4a bis 4f erläutert. Der in 4 dargestellte Vorrichtungsabschnitt erläutert wie der Tragrahmen (14) eines Zugelements (9) während der Unterwasserbewegung des Letzteren mit Hilfe von Führungsschienen (16) in einer gewünschten Bahn gehalten werden kann. An einem solchen Tragrahmen (14) sind die verschiedenen Bestandteile des gesamten Zugelements (9) montiert. Der Tragrahmen (14) bzw das Zugelement (9) ist gemäss der hier beschriebenen Ausführungsform entlang seines obersten Randes mit einem stangenförmigen Bügel (17) versehen, der an dessen beiden Enden über Räderchen (16') oder analoge Hilfsmittel zur Begünstigung seines Gleitens entlang der Führungsschienen (16) verfügt. Nach dem hier erläuterten Grundkonzept werden grossflächige Bestandteile der Zugelemente (9) mittels einer Lenk- oder Rotationsvorrichtung (14R) die am Tragrahmen (14) eines Zugelements (9) vorgesehen ist, so gedreht oder gefaltet, dass sie, wenn die Zugelemente gegen die Strömungsrichtung transportiert werden, dem fließenden fluiden Mittel, insbesondere Wasser, keinen grossen hydrodynamischen Widerstand bieten.The basic requirements for achieving the desired effect are described in the 4 and 4a to 4f explained. The in 4 illustrated device section explains how the support frame ( 14 ) of a tension element ( 9 ) during underwater movement of the latter by means of guide rails ( 16 ) can be held in a desired path. On such a support frame ( 14 ) are the different components of the entire tension element ( 9 ) assembled. The supporting frame ( 14 ) or the tension element ( 9 ) is according to the embodiment described here along its uppermost edge with a rod-shaped bracket ( 17 ), which at both ends via wheels ( 16 ' ) or analogous aids to facilitate its sliding along the guide rails ( 16 ). According to the basic concept explained here, large-area components of the tension elements ( 9 ) by means of a steering or rotational device ( 14R ) on the support frame ( 14 ) of a tension element ( 9 ) is provided, rotated or folded so that they, when the tension elements are transported against the flow direction, the fluid fluid, in particular water, do not offer a large hydrodynamic resistance.
Wie die 4a zeigt, wird im Energie liefernden Modus ein erster Flügel (F1) des Zugelements (9), dessen Rand über den Seitenarm (S1) des Tragrahmens (14) hinausragt, an diesem Seitenarm gestützt, sodass das Zugelement (9) dem Strömungsfeld mit einer großen Fläche entgegenwirkt. Dies gelingt, da der in 4 gezeigte – schmälere – zweite Flügel (F2) ein geringeres Drehmoment als der erste Flügel (F1) um die Lenk- bzw Rotationsvorichtung (14R) aufweist, und somit die von der strömenden Flüssigkeit auf den ersten Flügel (F1) ausgeübte Gesamtkraft ausreichend groß ist, um das Zugelement (9) an der gewünschten Position zu halten (4a). Dieser Effekt wird ferner durch die Rückstellvorrichtung (15), die beispielsweise durch einen Federmechanismus realisiert sein kann, unterstützt. Sobald die Laufrichtung des Zugelements (9) um 180° gedreht wird und seine Bewegung gegen die Richtung des Strömungsfeldes fortschreitet, ist das an dem ersten Flügel (F1) ausgeübte Drehmoment ausreichend stark, um die Summe der Drehmomente des zweiten Flügels (F2) und der Rückstellungsvorrichtung (15) zu überwinden und die grossflächige Ebene bestehend aus dem ersten Flügel (F1) und dem zweiten Flügel (F2) des Zugelements (9) parallel zum Strömungsfeldung zu richten (4b). Die Zugelemente (9) können nun ohne hohen Energieaufwand an ihre Anfangsposition in Richtung Endrand (4a) zurückgebracht werden.As the 4a shows, in the energy supplying mode, a first wing (F1) of the tension element ( 9 ) whose edge over the side arm (S1) of the support frame ( 14 ) protrudes, supported on this side arm, so that the tension element ( 9 ) counteracts the flow field with a large area. This succeeds, since the in 4 shown - narrower - second wing (F2) a lower torque than the first wing (F1) to the steering or Rotationsvorichtung ( 14R ), and thus the total force exerted by the flowing liquid on the first wing (F1) is sufficiently great that the tension element ( 9 ) at the desired position ( 4a ). This effect is further enhanced by the reset device ( 15 ), which may be realized by a spring mechanism, for example. Once the running direction of the tension element ( 9 is rotated 180 ° and its movement progresses against the direction of the flow field, the torque exerted on the first wing (F1) is sufficiently strong to equal the sum of the torques of the second wing (F2) and the restoring device (FIG. 15 ) and the large plane consisting of the first wing (F1) and the second wing (F2) of the tension element ( 9 ) parallel to the flow field ( 4b ). The tension elements ( 9 ) can now without high energy input to their initial position towards the end edge ( 4a ) are returned.
Eine alternative Ausführungsform mit gleichem Effekt wird in den 4c und 4d vorgestellt. Diese Figuren sind größtenteils selbsterklärend: Das Zugelement (9) besteht nun aus zwei – vorzugsweise leicht bogenförmigen – Flügeln (F3) und (F4), die um einen zentralen Rahmenarm (Z1) anhand einer Rotationsvorrichtung (14R) drehbar sind. Ohne Ausübung einer externen Kraft sorgt die Feder (15) (oder Vorrichtungen mit ähnlicher Wirkung) für das Entfalten der Flügel (F3, F4) (4c). Die Wirkung des Strömungsfeldes auf der vorderen Seite, die im Energie liefernden Modus gegen die Strömungsrichtung zeigt, unterstützt den Erhalt dieser Form. Im Rücktransportmodus sorgt dagegen die Kraft des Strömungsfeldes für das Zusammenfalten der zwei Flügel (F3, F4) (4d) und somit für ihren energiesparenden Rücktransport in Richtung Endrad (4a). Die Flügel (F1, F2, F3, F4), die Rotationsvorrichtung (14R) und die Rückstellungsvorrichtungen, zum Beispiel Federn (15), werden vom Gesamtbegriff „Umlenkmechanismen” erfasst.An alternative embodiment with the same effect is in the 4c and 4d presented. These figures are largely self-explanatory: The tension element ( 9 ) consists now of two - preferably slightly arcuate - wings (F3) and (F4), which around a central frame arm (Z1) by means of a rotary device ( 14R ) are rotatable. Without exerting an external force, the spring ( 15 ) (or devices with similar effect) for the deployment of wings (F3, F4) ( 4c ). The The effect of the flow field on the front side, which points in the energy supplying mode against the flow direction, supports the preservation of this form. In the return transport mode, on the other hand, the force of the flow field ensures the folding together of the two wings (F3, F4) ( 4d ) and thus for their energy-saving return transport towards Endrad ( 4a ). The wings (F1, F2, F3, F4), the rotation device ( 14R ) and the restoring devices, for example springs ( 15 ), are covered by the general term "deflection mechanisms".
Mit Bezug auf die 4e wird nun erläutert, wie die in den 4 und 4a bis 4d erörteten Prinzipien in der Praxis umgesetzt werden. Die Endräder (4a, 4b) können grundsätzlich senkrecht (4e oben) oder waagerecht (4e unten) oder sogar – falls gewünscht – in geneigter Position zur Wasseroberfläche stehen. Es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass mittels geigneter Maßnahmen, die in den 1a, 1b, 4 gezeigten Anordnungen strukturelle Stabilität aufweisen können. Stützvorrichtungen, z. B. längliche, seitlich positionierte Führungsschienen (16), auf denen – mit Rädchen versehene – Bügel (17), die mit den Tragrahmen der Zugelemente (9) verbunden sind, gleiten können, sorgen für die erwünschte Formerhaltung. Die Führungsschienen (16) sind mit dem Rahmen (1) der ELA fest verbunden, genauso wie die Rotationsachsen der Endräder (4a) und (4b). Die Profile der Endräder (4a, 4b) sind so konzipiert, dass sie mit den Befestigungselementen der Zugelemente (9) an der Kette (bzw. am Seil) (7) kompatibel sind. Das Seil (7) kann als Doppelseil, d. h. mit zwei parallel zueinander laufenden Strängen ausgebildet sein, damit die gewünschte Orientierung der Zugelemente besser stabilisiert wird (vgl. 5a).With reference to the 4e will now be explained how the in the 4 and 4a to 4d be implemented in practice. The end wheels ( 4a . 4b ) can always be perpendicular ( 4e above) or horizontally ( 4e below) or even - if desired - in an inclined position to the water surface. It only needs to be ensured that by means of suitable measures, which in the 1a . 1b . 4 shown arrangements may have structural stability. Support devices, eg. B. elongated, laterally positioned guide rails ( 16 ) on which - provided with wheels - ( 17 ) connected to the supporting frame of the tension elements ( 9 ), can provide the desired shape retention. The guide rails ( 16 ) are with the frame ( 1 ) of the ELA, as well as the rotational axes of the end wheels ( 4a ) and ( 4b ). The profiles of the end wheels ( 4a . 4b ) are designed to work with the fastening elements of the tension elements ( 9 ) on the chain (or rope) ( 7 ) are compatible. The rope ( 7 ) may be formed as a double rope, ie with two parallel strands, so that the desired orientation of the tension elements is better stabilized (see. 5a ).
Die 4f zeigt nur schematisch eine weitere Möglichkeit: Die Platten (9') der Zugelemente (9) sind um eine Achse (17') klappbar, parallel zur linearen Ausdehnung der Vorrichtung. Im Energie liefernden Modus sorgen die Federn (15) zusammen mit der Strömungskraft für eine Zugelementlage senkrecht zur Ausdehnung der Vorrichtung. Im Rücktrasportmodus überwindet die Strömungskraft die Federkraft, und die Zugelemente (9) werden flach geklappt. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft wenn die Zugelemente aus „T”-förmigen Strukuren, die über Gelenkverbindungen (22) miteinander verbunden sind, bestehen, wie sie in der 5c abgebildet werden. In einem solchen Fall stellen die Platten (9') faltbare, vertikale Schenkel der T”-förmigen Strukuren dar, die nach dem in der 4f erlaüterten Prinzip unter Einwirkung einer Wasserströmung aus einer seiner beiden Seiten, d. h. im Rücktransportmodus, gefaltet werden. Die 4g zeigt das Gesamtverhalten von waagerecht klappbaren Zugelementen in der ganzen Energie liefernden Anlage (ELA).The 4f shows only schematically another possibility: The plates ( 9 ' ) of the tension elements ( 9 ) are about an axis ( 17 ' ) hinged, parallel to the linear extent of the device. In energetic mode, the springs ( 15 ) together with the flow force for a Zugelementlage perpendicular to the extension of the device. In the return transport mode, the flow force overcomes the spring force, and the tension elements ( 9 ) are flattened. This embodiment is particularly advantageous when the traction elements of "T" -shaped structures that articulated connections ( 22 ), as they exist in the 5c be imaged. In such a case, the plates ( 9 ' ) Foldable, vertical legs of T "-shaped structures, which after the in 4f be explained principle under the action of a flow of water from one of its two sides, ie in the return transport mode, are folded. The 4g shows the overall behavior of horizontally hinged tension elements in the whole energy supplying system (ELA).
Typ 3 der ErfindungType 3 of the invention
Auch bei Vorrichtungen, bei denen die Rückführung der Zugelemente (9) ausserhalb des Wassers erfolgt (1a), ist es möglich tiefe Strömungen dafür auszunutzen, elektrischen Strom zu produzieren. Wie die 3 zeigt, kann man die ELA – neben den Endrädern (4a, 4b) – mit zusätzlichen Umlenkrädern (4a') und (4b') ausrüsten, die am Rahmen (1) fixiert sind. Die Umlenkräder (4a', 4b'), beziehungsweise Endräder (4a, 4b) können durch andere Vorrichtungen mit analoger Umlenkfunktion, im allgemeinen als Umlenkstationen bezeichnet, ersetzt werden. Für die einwandfreie Führung der Zugelemente (9) innerhalb des Wassers kann man, wie vorstehend erklärt, die ELA mit Führungsschienen (16) versehen. Für die einwandfreie Führung der Zugelemente (9) ausserhab des Wassers und oberhalb vom Rahmen (1) kann man die ELA, ähnlich wie bei der in 1a gezeigten Vorrichtung, mit entsprechenden Laufstäben (10) und Seitenstützen (11) ausrüsten, damit die Zugelemente (9) geordnet zu ihrer Startposition in Richtung Endrad (4a) rücktransportiert werden können.Also in devices where the return of the tension elements ( 9 ) takes place outside the water ( 1a ), it is possible to take advantage of deep currents to produce electricity. As the 3 shows, you can use the ELA - in addition to the final wheels ( 4a . 4b ) - with additional deflection wheels ( 4a ' ) and ( 4b ' ) on the frame ( 1 ) are fixed. The deflection wheels ( 4a ' . 4b ' ), or end wheels ( 4a . 4b ) can be replaced by other devices with analog deflection function, generally called deflection stations. For the perfect guidance of the tension elements ( 9 ) within the water, as explained above, the ELA with guide rails ( 16 ) Mistake. For the perfect guidance of the tension elements ( 9 ) outside the water and above the frame ( 1 ) you can use the ELA, similar to the in 1a shown device, with corresponding Laufstäben ( 10 ) and side supports ( 11 ) so that the tension elements ( 9 ) arranged to its starting position in the direction of end wheel ( 4a ) can be transported back.
Der Abstand (D) der Umlenkräder (4a') und (4b') vom Rahmen (1) ist bevorzugt erheblich kleiner als die Länge (L) des Rahmens (1), damit der Widerstand, den die Zugelemente für die Abwärts- und Aufwärtsbewegung vom Rahmen zum Umlenkrad und umgekehrt erfahren, durch die gesamte Kraft, die auf die Zugelemente (9) durch die Strömung des fluiden Mittels, insbesondere Wassers, entlang der Anlage ausgeübt wird, bei Weitem überkompensiert wird.The distance (D) of the deflection wheels ( 4a ' ) and ( 4b ' ) from the frame ( 1 ) is preferably considerably smaller than the length (L) of the frame ( 1 ), so that the resistance that the tension elements for the downward and upward movement from the frame to the guide wheel and vice versa, by the total force on the tension elements ( 9 ) is exerted by the flow of the fluid agent, in particular water, along the system is far overcompensated.
Ankoppelungssysteme von benachbarten ZugelementenCoupling systems of adjacent tension elements
In den 5a, 5b und 5c werden verschiedene Ausgestaltungen zur Kopplung von benachbarten Zugelementen (9) gezeigt, um eine kettenförmige, flexible, langgestreckte Schleife auszubilden, die dennoch ausreichend stabil ist, damit sich die einzelnen Zugelemente (9) mit ihren grossflächigen Seiten senkrecht zur Strömungsrichtung stellen, sodass sie einer maximalen Zugkraft ausgesetzt werden.In the 5a . 5b and 5c different embodiments for coupling adjacent tension elements (FIG. 9 ) to form a chain-shaped, flexible, elongated loop which is nevertheless sufficiently stable to allow the individual tension elements (FIGS. 9 ) with their large sides perpendicular to the flow direction, so that they are exposed to a maximum tensile force.
Die 5a zeigt die Verbindung von zwei parallel laufenden Seilen (oder Ketten) mittels aufeinanderfolgender Verbindungsstücke (18) zu einem Doppelseil (7). Der Rand (R1) eines Zugelements (9) wird mit einem Verbindungsstück (18) mechanisch – durch Kleben oder Schweissen – fest verbunden. Der gegenüber liegende Rand (R2) oder eine Stelle zwischen den Rändern (R1) und (R2) wird mit einem benachbarten Verbindungsstück (18) mittels eines drahtförmigen Elements (z. B. mit einem Stück Seil, starker Schnur bzw. Kette) diagonal verbunden. Somit erfolgt eine dreieckige, teilweise flexible Verbindung. Ein im Wasser eingetauchtes Zugelement (9) sieht wie ein umgedrehtes Segel bzw. eine dreieckförmige Drachenfliegeranordnung aus. Es wird somit erreicht, dass entlang einer Wasserströmung die Zugelemente (9) quer zur Strömung ihre Position stabil halten. Da das Doppelseil (9) auch eine laterale Dimension aufweist, wird die Führung der kettenförmigen Anordnung von Zugelementen zwischen den zwei Endrädern (4a, 4b) zusätzlich stabilisiert. Diese kettenförmige Anordnung ist dennoch ausreichend biegsam, um die Endräder (4a, 4b) und gegebenfalls die Umlenkräder (4a', 4b') zu umlaufen.The 5a shows the connection of two parallel cables (or chains) by means of successive connectors ( 18 ) to a double rope ( 7 ). The edge (R1) of a tension element ( 9 ) is connected to a connector ( 18 ) mechanically - by gluing or welding - firmly connected. The opposite edge (R2) or a position between the edges (R1) and (R2) is connected to an adjacent connector (R2). 18 ) is connected diagonally by means of a wire-shaped element (eg with a piece of rope, strong cord or chain). Thus, a triangular, partially flexible Connection. A traction element immersed in water ( 9 ) looks like an upturned sail or a triangular kite flyer layout. It is thus achieved that along a water flow, the tension elements ( 9 ) keep their position stable across the flow. Because the double rope ( 9 ) also has a lateral dimension, the guidance of the chain-shaped arrangement of tension elements between the two end wheels ( 4a . 4b ) additionally stabilized. This chain-shaped arrangement is nevertheless sufficiently flexible to allow the end wheels ( 4a . 4b ) and optionally the deflection wheels ( 4a ' . 4b ' ) to run around.
Die 5b erläutert einen anderen Weg zur stabilen Ausrichtung der grossen Flächen der Zugelemente (9) quer zur Strömungsrichtung, ohne die nötige Biegsamkeit des Seils bzw. der Kette (7) zu gefährden. Die Seitenstangen (19) stehen in einem 90° Winkel zu jenem Querschnitt des Zugelements (9), der quer zur Strömungsrichtung stehen sollte. Das in der Laufrichtung des Seils (7) benachbarte Verbindungsstück (18) oder das an diesem Verbindungsstück befestigte Zugelement (9) verfügt über seitlich herausragende Stützelemente (20), auf die sich die freien Enden der Seitenstangen (19) stützen können. Somit können die Zugelemente (9) im Strömungsfeld die gewünschte Orientierung erhalten, um dem Seil (7) einen Vorwärtschub zu verschaffen, der dafür genutzt wird einen Generator (21), insbesondere einen Stromgenerator in Gang zu setzen.The 5b explains another way of stable alignment of the large areas of the tension elements ( 9 ) transversely to the flow direction, without the necessary flexibility of the rope or the chain ( 7 ) to endanger. The side bars ( 19 ) are at a 90 ° angle to that cross section of the tension element ( 9 ), which should be perpendicular to the direction of flow. That in the running direction of the rope ( 7 ) adjacent connector ( 18 ) or attached to this connector tension element ( 9 ) has laterally protruding support elements ( 20 ), on which the free ends of the side bars ( 19 ). Thus, the tension elements ( 9 ) in the flow field, the desired orientation to the rope ( 7 ) to provide a forward thrust that is used to generate a generator ( 21 ), in particular a current generator in motion.
Der Stromgenerator (21) wird an der kettenförmigen, die Endräder umlaufenden Anordnung operativ angeschlossen. Der Stromgenerator (21) kann beispielsweise an einem Endrad, z. B. dem Endrad (4a) direkt oder über weitere Übertragungsmittel – wie ein Getriebesystem das in den Abbildungen nicht näher gezeigt wird – angekoppelt werden (1b, 3). Der Stromgenerator (21) kann lokal an einer Stelle nahe der Peripherie des Endrades angeordnet sein (wie im Falle eines Fahrraddynamos) oder über einen um die Rotationsachse des Endrades (4a) zyklisch symetrischen Kupplungsmechanismus operativ an das Endrad angeschlossen sein. Der Elektrogenerator (21) kann sich alternativ im Zentralbereich des Rades – wie im Falle eines Nabendynamos – befinden. Derartige alternative Lösungen fallen unter den Rahmen des allgemeinen Wissens des Durschnittfachmanns.The power generator ( 21 ) is operatively connected to the chain-shaped, the end wheels rotating arrangement. The power generator ( 21 ) can, for example, on a final wheel, z. B. the end wheel ( 4a ) directly or via further transmission means - such as a transmission system which is not shown in detail in the figures - are coupled ( 1b . 3 ). The power generator ( 21 ) may be located locally at a location near the periphery of the end wheel (as in the case of a bicycle dynamo) or one about the axis of rotation of the end wheel (FIG. 4a ) cyclically symmetric clutch mechanism operatively connected to the final wheel. The electric generator ( 21 ) can alternatively be located in the central area of the wheel - as in the case of a hub dynamo. Such alternative solutions fall within the general knowledge of the average person skilled in the art.
Die 5c zeigt eine weitere Variante, nach der die Zugelemente (9) einen winkelförmigen Querschnitt parallel zur Längsausdehnung der als Schleife ausgebildeten kettenförmigen Anordnung der Zugelemente besitzen. Der winkelförmige Querschnitt kann ”T”-förmig sein. Benachbarte Zugelemente mit ”T”-förmigen Querschnitten sind dann über Gelenkverbindungen (22) miteinander verbunden, sodass sie eine geschlossene Schleife, die die Endräder (4a, 4b) umlaufen kann, bilden. Die Gelenkverbindungen (22) können entsprechend dem allgemeinen Wissen des Fachmanns so ausgebildet sein, dass defekte Zugelemente (9) leicht austauschbar sind. Ferner können die aus waagerecht orientierten Flachelementen und quer zu deren gerichteten Platten (9') ausgebildeten ”T”-förmige Strukturen mit einem, wie in der 4f gezeigten Klappmechanismus versehen sein. Senkrecht orientierte Rückenstützen (17R) (4f), die mit den waagerecht orientierten Flachelementen fest verbunden sind, sorgen dafür, dass die klappbaren Platten (9') im Energie liefernden Modus unter Einwirkung einer Vorderströmung ihre senkrechte Lage behalten, wogegen unter Einwirkung einer Rückströmung, die die Federwirkung der Rückstellungsfedern (15) überwindet, umgeklappt werden.The 5c shows a further variant according to which the tension elements ( 9 ) have an angular cross-section parallel to the longitudinal extent of the formed as a loop chain-like arrangement of the tension elements. The angular cross section may be "T" shaped. Adjacent traction elements with "T" -shaped cross-sections are then via articulated joints ( 22 ), so that they form a closed loop, the end wheels ( 4a . 4b ) can form. The joints ( 22 ) may, according to the general knowledge of the person skilled in the art, be designed such that defective tension elements ( 9 ) are easily replaceable. Furthermore, the horizontally oriented flat elements and transversely to their directed plates ( 9 ' ) formed "T" -shaped structures with a, as in 4f be shown folding mechanism provided. Vertically oriented backrests ( 17R ) ( 4f ), which are firmly connected to the horizontally oriented flat elements, ensure that the hinged plates ( 9 ' ) maintain their vertical position under the action of a forward flow in the energy-providing mode, whereas, under the influence of a backflow, the spring action of the return springs ( 15 ) overcomes, be folded down.
Strukturelle Merkmale der ZugelementeStructural features of the tension elements
Zum optimalen Betrieb der ELA sollte die Form der Zugelemente (9) derart ausgestaltet sein, dass in einem Strömungsfeld zwischen ihrer Vorderseite und ihrer Rückseite eine hohe Druckdifferenz entstehen kann. Diese Druckdifferenz ist hoch bei Körpern, die einen hohen Widerstandsbeiwert (drag coefficient) aufweisen. Solche Körper können plattenförmige Elemente sein, deren grosse Flächen senkrecht zur vektorialen Strömungsrichtung (7, Fall (a)) orientiert sind. Widerstandsbeiwerte bei niedrigen Reynoldszahlen wurden von A. M. Jones und J. G. Knudsen ermittelt ( A. M. Jones, J. G. Knudsen „Drag coefficients at low Reynolds numbers for flow past immersed bodies”, AlChE Journal, 2004 ).For optimum operation of the ELA, the shape of the tension elements ( 9 ) be configured such that in a flow field between its front and its back, a high pressure difference can arise. This pressure difference is high in the case of bodies which have a high drag coefficient. Such bodies may be plate-shaped elements whose large surfaces are perpendicular to the vectorial flow direction (FIG. 7 , Case (a)) are oriented. Resistance coefficients at low Reynolds numbers were determined by AM Jones and JG Knudsen ( AM Jones, JG Knudsen "Drag coefficients at low Reynolds numbers for flow past immersed bodies", AlChE Journal, 2004 ).
Leicht bogenförmige Zugelemente (9) (7, Fall (b)) in senkrechter Orientierung zur Strömungsrichtung verhalten sich ähnlich wie flache Platten. In praktischen Versuchen haben die Erfinder dennoch festgestellt, dass bogenförmige Zugelemente (9), die elastisch deformierbar sind (7, Fall (c)), bei niedrigen Geschwindigkeiten im Wasser und daher bei niedrigen Reynoldszahlen einen höheren mechanischen Widerstand erfahren als ihre starren Gegenstücke (Fall (b)), und dass auf ihren Rückseiten viel leichter Turbulenzen entstehen. Ohne durch irgendeine Theorie gebunden zu sein, ist anzunehmen, dass durch die relative Bewegung eines elastischen Zugelements im Strömungsfeld eine anfängliche – durch die Kombination der entgegenwirkenden Kräfte F1 und F2 – verursachte Deformation (7, Fall (c)) in Zusammenhang mit der Entstehung einer beachtlichen Druckdifferenz zwischen der Vorder- und der Rückseite des Zugelements (9) steht. Die hohe anfängliche Druckdifferenz erfordert die gleichzeitige Erzeugung von Turbulenzen nahe den Rändern des Zugelements (9) auf seiner Rückseite. Dieser Zustand verstärkt die Deformationstendenz des Zugelements, was wiederum nur mit dem Beibehalten der Turbulenzen auf dessen Rückseite möglich ist. Eine daraus resultierende höhere lokale Druckdifferenz nahe den Rändern des Zugelements ist vereinbar mit höheren lokalen Reynoldszahlen, die so zu Turbulenzerzeugung führen.Slightly curved tension elements ( 9 ) ( 7 Case (b)) in a direction perpendicular to the flow direction behave in a similar way to flat plates. In practical experiments, however, the inventors have found that bow-shaped tension elements ( 9 ) which are elastically deformable ( 7 , Case (c)), at lower velocities in water, and therefore at low Reynolds numbers, experience higher mechanical resistance than their rigid counterparts (Case (b)), and turbulence is much more likely to occur on their backsides. Without being bound by any theory, it is believed that the relative movement of an elastic traction element in the flow field is an initial deformation caused by the combination of counteracting forces F1 and F2 ( 7 , Case (c)) in connection with the creation of a considerable pressure difference between the front and the back of the tension element (FIG. 9 ) stands. The high initial pressure differential requires the simultaneous generation of turbulence near the edges of the tension member ( 9 ) on its back. This condition enhances the deformation tendency of the tension member, which in turn is possible only with the maintenance of turbulence on the back. A resulting higher local pressure difference near the edges of the tensile element is consistent with higher local Reynolds numbers, thus leading to turbulence generation.
Es ist auch denkbar, Zugelemente (9) mit komplizierterem Aufbau zu verwenden, wenn z. B. durch die Seitwärtsbeschleunigung von Wasser eine Verstärkung des Druckunterschiedes zwischen der Vorder- und der Rückseite begünstigt wird. Die 7 (Fall (d)) zeigt in Form eines Diagramms eine Kaskade von Zugelementen, bestehend aus der Kombination eines zentrifugalen Rotors (R) und eines benachbarten Stators (S), die in einem tubularen Element (TE) eingelagert sind. Die seitliche Umlenkung des Wassers ist verbunden mit der erwünschten Druckdifferenz zwischen der vorderen Seite des Rotors und der hinteren Seite des Stators.It is also conceivable to use tension elements ( 9 ) to use with a more complicated structure, if z. B. is favored by the lateral acceleration of water amplification of the pressure difference between the front and the back. The 7 (Case (d)) shows in the form of a diagram a cascade of tension elements consisting of the combination of a centrifugal rotor (R) and an adjacent stator (S) embedded in a tubular element (TE). The lateral deflection of the water is associated with the desired pressure difference between the front side of the rotor and the rear side of the stator.
In einer Anlage mit großer Länge, z. B. mehrere hundert Meter, kann das Gesamtgewicht der Zugelemente (9) so gross sein, dass zusätzliche Stützvorrichtungen oder gewichtreduzierende Komponenten für die Zugelemente (9) benötigt werden. Als Stützvorrichtung können Führungsschienen (16) mit Tragfunktion, die, wie bereits oben erklärt, am Rahmen (1) befestigt sind, eingesetzt werden. Die effektive Gewichtsreduzierung der Zugelemente (9) kann im Wasser durch das Anbringen von Hohlräume (H) enthaltenden Ergänzungsmitteln (EM) an die Zugelemente (9) oder in benachbarten Positionen entlang ihrer kettenförmigen Anordnung (6) bewirkt werden. Der Auftrieb, den die Ergänzungsmittel (EM) im Wasser erfahren, gleicht einen Teil der auf die Zugelemente wirkenden Gravitationskraft aus.In a plant with a long length, z. B. several hundred meters, the total weight of the tension elements ( 9 ) are so large that additional support devices or weight-reducing components for the tension elements ( 9 ) are needed. As a support device guide rails ( 16 ) with support function which, as explained above, 1 ) are used. The effective weight reduction of the tension elements ( 9 ) can in the water by the attachment of cavities (H) containing supplements (EM) to the tension elements ( 9 ) or in adjacent positions along their chain-like arrangement ( 6 ) are effected. The buoyancy that the supplements (EM) experience in the water compensates for part of the gravitational force acting on the tension members.
Beispielexample
An einem Ufer des Flusses Isar die durch die Stadt München fliesst, wurde die Wasserkraft die auf leicht gebogene, flexible Zugelemente (9) wirkt, gemessen. Die Form der verwendeten leicht gebogenen, flexiblen Zugelemente (9) wird in den 7(b) und (c) gezeigt. Bei einer Wassergeschwindigkeit von 0,5 m/s und mit Zugelementen verschieder Querschnitsflächen im Bereich zwischen 0,02 und 0,05 Quadratmeter wurde ein effektiver Druck im Bereich zwischen 280 bis 320 N/qm gemessen, wenn die Zugelemente senkrecht zur Strömungsrichtung gerichtet waren.On a bank of the river Isar that flows through the city of Munich, the hydropower has been reduced to slightly curved, flexible tension elements ( 9 ) acts, measured. The shape of the slightly curved, flexible tension elements ( 9 ) is in the 7 (b) and (c) shown. At a water speed of 0.5 m / s and with traction elements having cross-sectional areas in the range between 0.02 and 0.05 square meters, an effective pressure in the range between 280 to 320 N / m² was measured when the traction elements were directed perpendicular to the flow direction.
Eine experimentelle Anlage entsprechend der (1a) wurde hergestellt, die eine Länge von 2,2 Metern und eine operative Breite von 0,3 Metern aufweist und bei der im Betrieb ständig vier (4) Zugelemente (9) mit jeweils 0,07 qm Querschnittsfläche im Wasser eintauchen. Bei einer Wasserströmung vom etwa 1 m/s kann man angesichts der vorstehend vorgestellten Modelberechnungen eine Leistung von mindestens 4 × 300 (N/qm) × 0,07 (qm) × 0,5 m/s = 42 W erhalten. Bei einer Wassergeschwindigkeit von 2 m/s erwartet man (je nachdem, ob die Kraft auf die Zugelemente proportional zur Geschwindigkeit oder zu ihrem Quadrat steigt) eine Leistung im Bereich etwa zwischen 84 und 126 W.An experimental facility according to the ( 1a ), which has a length of 2.2 meters and a working width of 0.3 meters, with 4 ) Tension elements ( 9 ) immerse each with 0.07 sqm cross-sectional area in the water. With a water flow of about 1 m / s, in view of the model calculations presented above, a power of at least 4 × 300 (N / qm) × 0.07 (qm) × 0.5 m / s = 42 W can be obtained. At a water velocity of 2 m / s one expects (depending on whether the force on the tension elements increases in proportion to the speed or its square) a power in the range between approximately 84 and 126 W.
Strömungskanäleflow channels
Unter gewissen Umständen, zum Beispiel bei Gewässern, in welchen lokale Strömungsstörungen vorkommen, mag es erwünscht sein, das Strömungsfeld in der durchschnittlichen Strömungsrichtung zu stabilisieren oder sogar umzulenken, um die Wasserströmung in einer Richtung zu stabilisieren. Das Ziel ist dabei, das lokale hydrodynamische Verhalten zu verstärken. Zu diesem Zweck könnte man Seitenwände, die parallel oder in einem bestimmten Winkel zur Längsachse der ELA stehen, als Seitenbegrenzungen (23) einbauen (8). Solche Seitenbegrenzungen können als separate Elemente in der Nähe der ELA eingerichtet, oder direkt am Rahmen (1) angebracht werden.In some circumstances, for example, in waters where local flow disturbances occur, it may be desirable to stabilize or even redirect the flow field in the average flow direction to stabilize the flow of water in one direction. The goal is to enhance local hydrodynamic behavior. For this purpose, side walls which are parallel or at a certain angle to the longitudinal axis of the ELA could be used as side boundaries ( 23 ) ( 8th ). Such page boundaries can be set up as separate items near the ELA, or directly on the frame ( 1 ).
Die oben beschriebenen Ausführungsformen erläutern das vielseitige Potential der Erfindung, deren Grundgedanke darin besteht, die kinetische Energie eines als Energieträger agierenden fluiden Mittels, insbesondere Wasser, in einer linearen Anordnung von aufeinanderfolgenden und miteinander gekoppelten Elementen zu übertragen und die Summe der durch diese Elemente aufgenommenen „Energiepakete” an einen Generator zu leiten. Der Generator, insbesondere ein Stromgenerator, ist funktionell an die Anordnung von aufeinander folgenden und miteinander gekoppelten Elemente angeschlossen, und wird zur Erzeugung nützlicher Energie eingesetzt.The embodiments described above illustrate the versatile potential of the invention, the basic idea of which is to transfer the kinetic energy of a fluid agent acting as an energy carrier, in particular water, in a linear arrangement of successive and coupled elements and the sum of the values recorded by these elements. " Energy packages "to a generator. The generator, in particular a current generator, is operatively connected to the array of successive and coupled elements, and is used to generate useful energy.
Erfindungsgegenstand ist nicht nur eine Anlage (Vorrichtung) dieser Art, sondern ebenso auch ihre Verwendung zur Erzeugung von nützlicher Energie sowie ein entsprechendes Verfahren zur Energieerzeugng.Subject of the invention is not only a plant (device) of this kind, but also their use for the generation of useful energy and a corresponding method for Energieerzeugng.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 233692 A [0003] US 233692 A [0003]
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US 7938622 A [0003] US 7938622 A [0003]
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US 7456514 A [0003] US 7456514 A [0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Jahangir Khan und Gouri S. Bhuyan verfasst (OCEAN ENERGY: GLOBAL TECHNOLOGY DEVELOPMENT STATUS; Final Technical Report IEA-OES Document No.: T0104; Powertech Labs Inc., Britsh Columbia Canada, March 2009) [0003] Jahangir Khan and Gouri S. Bhuyan (OCEAN ENERGY: GLOBAL TECHNOLOGY DEVELOPMENT STATUS; Final Technical Report IEA-OES Document No .: T0104; Powertech Labs Inc., Britsh Columbia Canada, March 2009) [0003]
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A. M. Jones, J. G. Knudsen „Drag coefficients at low Reynolds numbers for flow past immersed bodies”, AlChE Journal, 2004 [0040] AM Jones, JG Knudsen "Drag coefficients at low Reynolds numbers for flow past immersed bodies", AlChE Journal, 2004 [0040]
