DE102013006983A1

DE102013006983A1 - Der Gravitationsantrieb einer Wasserturbine

Info

Publication number: DE102013006983A1
Application number: DE201310006983
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-10-16

Abstract

Der Gravitationsantrieb für die Wasserturbine basiert auf dem Verfahren des kontrollierbaren Absinkens und Auftauchens einer multifunktionalen Kolbe eines Zylinder-Kolben-Systems, als ein Pumpenwerk, mittels externer elektromagnetischer, elektromechanischer oder berührungsmechanischer Steuerung der Auftriebs- und Schwerkräfte des mit dem flüssigen Arbeitsmedium gefüllten Systems, das ein hydraulisches Druck- bzw. Kraftübertragungssystem bildet, wodurch der generierte Druck des flüssigen Mediums bzw. des Wassers für weiteres Konvertieren in andere Arten der Energie abgeleitet werden kann, zum Beispiel eine Wasserturbine anzutreiben. Das ermöglicht eine Energieversorgung in einem Insel- oder Netzbetrieb mit der Leistung von ca. 2 KW bis zu den MW-Bereichen. Die Vorteile der Erfindung sind offensichtlich. Eine Anlage, die den Energiebedarf emissionsfrei bzw. treibstofffrei, permanent, standort- und wetterunabhängig decken kann, bekommt in modernem Zeitalter eine enorm wichtige Bedeutung.

Description

Stand der Technik:
Für den Antrieb einer Wasserturbine eines Wasserkraftwerkes, um die Wasserkraft nutzbar zu machen, benötigt man entweder fallendes oder fließendes Wasser, was durch die Nutzung der natürlichen Gegebenheiten: die Flüsse, die Wasserfälle etc., oder mittels künstlich errichteten Bauwerke: die Staudämme bzw. die Stausee etc., zu erreichen ist. All das ist sehr stark standortgebunden, benötigt in unmittelbarer Nähe natürliche Wasserquellen und beansprucht viele Ressourcen für Energietransport, was letztendlich zu erheblichen Kosten, geschweige denn dadurch verursachte Umweltschäden, führt.
Im modernen Zeitalter des unaufhaltsam wachsenden Umweltbewusstseins der Menschen gewinnt der Bau und der Betrieb eines bedarfsgerechten, umweltneutralen und standortunabhängigen Kraftwerkes für private, sowie auch für kommunale Bereiche immer mehr an seine Bedeutung.
Aufgabestellung:
Eine auf permanent vorhandenen Naturkräften basierende und physikalisch begründete Alternative der Herstellung des Wasserdruckes anzubieten, um die in [002] bis [003] dargestellten Probleme mittels eines erfindungsspezifischen Verfahrens zu lösen, um eine Wasserturbine anzutreiben.
Aufgabenlösung:
Einen Gravitationsantrieb einer Wasserturbine, basierend auf der Steuerung der naturgemäß entstandenen Schwer- und Auftriebskräfte eines Pumpenwerkes bzw. eines Zylinder-Koben-Systems, das mit der Arbeitsflüssigkeit bzw. mit dem Wasser ständig gefüllt ist und wodurch in dem Kreislauf des Systems ein berechenbarer Wasserdruck entsteht, was als eine Äquivalenzgröße zu einer imaginären Wasserfallhöhe zu betrachten ist, anzubieten.
Beschreibung:
Der Gravitationsantrieb einer Wasserturbine besteht aus einem multifunktionalen Zylinder-Kolben-System, das als ein Pumpenwerk an den Eingang und an den Ausgang einer Wasserturbine angeschlossen ist und mittels eines elektronischen Steuergeräts gesteuert wird.
Der Zylinder ist oben offen, um Luftströmung reinlassen zu können und um zum Ausgang der Wasserpumpe angeschlossen zu werden. Unten hat der Zylinder einen Boden mit einer Rohrableitung, die ein eingebautes steuerbares Sperrventil besitzt, um mittels dieses Rohres an den Eingang der Wasserpumpe angeschlossen zu werden. Die Innenseite des Zylinders ist mit der Sperre ausgestattet, um den Hub der Kolbe abzugrenzen.
Die Kolbe, als separat beweglicher Teil des Systems, hat mittig ein Diaphragma bzw. mehrere steuerbare Öffnungen, um die Arbeitsflüssigkeit oberhalb und unterhalb der Kolbe voneinander kontrollierend entweder zu trennen oder sie miteinander zu verbinden. Die Kolbe soll multifunktional sein und eine positive Schwimmfähigkeit haben. Das heißt, dass bei den geöffneten Öffnungen die Kolbe die Funktion eines Schwimmkörpers und bei den geschlossenen Öffnungen die Funktion einer Kolbe eines Zylinder-Kolben-Systems ausführen soll. Dadurch bildet sich für die Arbeitsflüssigkeit ein steuerbares Kreislaufsystem, das durch prozessbezogene Steuerung der Öffnungen der Kolbe geteilt verwaltet werden kann.
Mittels des elektronischen Steuergeräts (Stand der Technik) werden die entsprechenden elektromechanischen Steuerungskomponenten wie das Wasserventil und die Öffnungen der Kolbe prozessbezogen verwaltet. Die Betätigungsmechanismen werden von einer externen Energiequelle wie eine Batterie, die mittels Ladestation an den Ausgang des Generators und an die Wasserturbine angeschlossen ist, eingespeist. Das Steuergerät wird ebenfalls von dieser Energiequelle angetrieben.
Funktionsweise und die Physik des Verfahrens:
1. Die Startposition:
Das Diaphragma bzw. die Öffnungen auf der schwimmfähigen Kolbe und das sperrbare Ventil sind zu. Das Wasser im Rohr sowie oberhalb und unterhalb der Kolbe ist entsprechend gefüllt. Die elektronische Steuerung ist aus. Die Wasserturbine ist dadurch außer Betrieb. Diese Position ist mühelos erreichbar und das System kann beliebig lang in dieser Position bleiben.
2. Der 1. Takt. Anfang:
Die elektronische Steuerung öffnet das Sperrventil. Das Diaphragma der Kolbe bleibt zu. Die Last des Wassers mit der Masse M, oberhalb der Kolbe, druckt die Kolbe mit der Schwerkraft: F_wasser = Mg nach unten, wobei und weiterhin g – die Erdbeschleunigung ist.
Diese Kraft erzeugt im Rohr mit dem Querschnitt s folgenden Druck:
Die Wassersäule im Rohr mit der Höhe H erzeugt einen Gegendruck: P_rohr = ρgH
Dementsprechend der resultierte Druck P im Rohr ist: P = P_kolbe – P_rohr = Mg / s – ρgH
Die Gleitreibung des Zylinder-Kolben-Systems und die Wasserreibung im Transportrohr können bei sorgfältiger Anlageplanung immer minimal gehalten werden, sodass: P >> Reibung (Stand der Technik). Wie aus dieser Gleichung ersichtlich ist, um einen positiven und nutzbaren Druck zu bekommen, soll die folgende Gleichung stimmen: P >> 0 das heißt: M >> ρHs
Wenn der Querschnitt der Kolbe bzw. die Bohrung des Zylinders S ist und die Höhe des Wasserstandes oberhalb der Kolbe h ist, dann für obige Gleichung gilt Folgendes: ρSh >> ρHs oder Sh >> sH oder S/s >> H/h
Da die Gleichung H > h für eine beliebige Anlage konstruktionsbedingt konstant ist, wird es bei entsprechender Dimensionierung der Anlage immer möglich sein, die Werte S und s so zu halten, dass die Gleichung S >> s immer stimmt, sodass der resultierte Druck der Anlage immer positiv wird: P >> 0.
Dadurch strömt das Wasser in die Wasserturbine und treibt sie an. Das durchgehende Wasser fließt ungehindert in den Zylinder zurück und hält den Wasserpegel des Systems konstant und dadurch wird die Schwerkraft der Wassermassen oberhalb der Kolbe ebenfalls während des gesamten Hubes konstant gehalten. Die Höhe des Hubes ist konstruktiv bei der Anlageplanung festzulegen.
3. Der 1. Takt. Ende:
Am Ende des Hubes soll das Ventil des Wassertransportrohres mittels der Steuerung gesperrt werden. Die Wasserturbine während des 1. Taktes liefert nutzbare Arbeit, die an den Stromgenerator weiter geleitet werden kann.
4. Der 2. Takt. Anfang:
In dieser Position ist die Wasserturbine im Leerlauf und liefert keine Energie, da kein Wasserdruck mehr vorhanden ist. Das Sperrventil des Wassertransportrohres ist zu. Durch die elektronische Steuerung wird das Diaphragma bzw. die Öffnungen auf der schwimmfähigen Kolbe geöffnet. Die Kolbe verliert dadurch die Dichtigkeit eines Zylinder-Kolben-Systems und weiterhin funktioniert wie ein Schwimmkörper. Die Schwimmfähigkeit der Kolbe mit den geöffneten Öffnungen bzw. mit dem geöffneten Diaphragma ist konstruktiv festzulegen, was mühelos erreichbar ist.
Durch das Öffnen des Diaphragmas entsteht kein Drucklast der Wassermassen M oberhalb der Kolbe mehr. Die Kolbe bewegt sich mit der Auftriebskraft: F_auftrieb = ρgV nach oben, wobei: ρ – die Wasserdichte und V – das Volumen der Kolbe sind.
Das Volumen der Kolbe, das in dieser Konstellation die Auftriebskraft bestimmt, soll so genommen werden, dass die Gleitreibungskraft zwischen der Innenwand des Zylinders und der Außenwand der Kolbe die Kolbenbewegung nicht hindert, was unproblematisch ist. Außerdem soll die Kolbe eine positive Schwimmfähigkeit haben, was ebenfalls mühelos erreichbar ist (Stand der Technik).
5. Der 2. Takt. Ende:
Die Kolbe, die in diesem Moment ein Schwimmkörper ist, erreicht die obere Hubsperre auf der Innenwand des Zylinders und bleibt in der Position stehen. Das Diaphragma bzw. die Öffnungen auf der Kolbe kann/können danach mittels Steuerung zugemacht werden. Dadurch ist eine Position, identisch der Startposition, erreicht. Die Anlage kann wiederholt vom 1. Takt weiterhin gesteuert werden.
Entsprechend oben dargestellter Taktung kann die Anlage zyklisch weiterarbeiten. Der gesamte Arbeitszyklus wiederholt sich automatisch und die Anlage funktioniert selbstständig weiter. Ein einziges Zylinder-Kolben-System liefert den Arbeitsdruck nur während des 1. Taktes. Der 2. Takt liefert keine nutzbare Energie und dient nur zur Wiederherstellung der Startposition. Zwei gegenphasig geschaltete Systeme erzeugen permanenten Druck, den auf eine Wasserturbine geleitet werden kann.
Die Leistungsfähigkeit der Anlage ist planbar. Dieses Prinzip ermöglicht die Energieversorgung in einem Insel- oder in einem Netzbetrieb, als eine einzelne Anlage oder in einer Kaskadenbauweise, ab ca. 2 KW bis zu mehreren MW zu organisieren, wobei mehrere Gravitationsantriebe eine einzige Wasserturbine antreiben können.
Beispielberechnung:

Die Leistung des Gravitationsantriebes ist von Dimensionen der Anlage abhängig. Wenn eine Anlage als Beispiel die folgenden Dimensionen hat, dann:

Dimensionen der Anlage:	1. Beispiel	2. Beispiel
D – Durchmesser der Kolbe bzw. die Bohrung des Zylinders, m:	2,0	8,0
d – Durchmesser des Wassertransportrohres, m:	0,3	0,5
H – Höhe des Rohres bzw. Höhe des Eingangs der Turbine, m:	2,0	6,0
h – Wasserpegel oberhalb der Kolbe im Zylinder, m:	1,0	5,0
μ – Verluste: gesamt, Einschätzung ca. (Stand der Technik), %:	20,0	20,0

P = Mg / s – ρgH – Verluste 20%

P – Druck beim Eingang in die Wasserturbine, Bar:

3,3

125

Das kann als eine Äquivalenz zur imaginären Wasserfallhöhe wie folgt betrachtet werden:

ρgh'' = P

h'' – eine Äquivalenthöhe eines imaginären Wasserfalls, ca. m:	33	1.274
Für eine Wasserturbine mit dem Volumenstrom von ca., Liter/Sek.:	15	100
ergibt sich folgende Leistung: wobei:
V – der Volumenstrom in Liter/Sek.; P – der Wasserdruck in Bar;

L(kW) = VP / 10

L – Leistung:

4,99 kW

1 MW

Vorteile der Erfindung:
Die Vorteile der Erfindung sind offensichtlich. Eine Anlage, die den Energiebedarf emissionsfrei bzw. treibstofffrei, permanent, standort- und wetterunabhängig decken kann, bekommt in modernem Zeitalter eine enorm wichtige Bedeutung.
Zeichnungen:
1. Startposition.

Legenden: 1 – Wasserturbine; 2 – Zylinder; 3 – Antrieb des Diaphragmas; 4 – Sperre; 5 – schwimmfähige Kolbe; 6 – Diaphragma; 7 – Wassertransportrohr; 8 – Wasser; 9 – steuerbares Ventil; ⊗ – Ventil AUF;
–Ventil ZU;

2. 1. Takt (Anfang);
3. 1. Takt (Ende);
4. 2. Takt (Anfang);
5. 2. Takt (Ende);

Claims

Der Gravitationsantrieb für Wasserturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass das zugrunde liegende Verfahren des kontrollierbaren Absinkens und Auftauchens einer multifunktionalen Kolbe eines Zylinder-Kolben-Systems, als ein Pumpenwerk, auf mittels externer elektromagnetischer, elektromechanischer oder berührungsmechanischer Steuerung der Auftriebs- und Schwerkräfte des mit dem flüssigen Arbeitsmedium gefüllten Systems basiert, das ein hydraulisches Druck- bzw. Kraftübertragungssystem bildet, wodurch der generierte Druck des flüssigen Mediums bzw. des Wassers für weiteres Konvertieren in andere Arten der Energie abgeleitet werden kann, zum Beispiel eine Wasserturbine anzutreiben. Das heißt, dass ein konstantes Volumen eines Arbeitsmediums, das ein Bestandteil des Pumpensystems ist, durch eine externe Steuerung der kontrollierbaren multifunktionalen Vorrichtungen, das heißt die zeitliche Sperrung des Abflusses aus dem Hydrozylinder und die zeitliche Ablösung der Dichtigkeit der schwimmfähigen Kolbe des Hydrozylinders, anteilsmäßig und prozessbezogen auf die hydraulische Druckübertragungsflüssigkeit, die die Druckkraft an eine weitere Vorrichtung leitet und auf die druckkrafterzeugte Flüssigkeit, die den Druck im System bei der Wiederherstellung der Dichtigkeit der Kolbe erzeugt, aufteilt. Dadurch wird eine zyklische Transformation des Arbeitsmediums innerhalb eines konstanten Volumens zwischen der hydraulischen Flüssigkeit, als ein getrennter Teil des flüssigen Mediums dieses Pumpensystems, und dem weiteren getrennten Teil des Arbeitsmediums, dessen Schwerkraft in demselben System genutzt wird, in beiden Prozessrichtungen möglich sein, was die Entstehung einer zyklischen nutzbaren hydraulischen Druckkraft zu Folge hat.
Der Gravitationsantrieb für Wasserturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass diese Erfindung, die sich als eine Konstruktion aus einem oder mehreren multifunktionalen Zylinder-Kolben-Systemen darstellt und als ein Pumpenwerk an den Eingang und an den Ausgang einer Wasserturbine angeschlossen und mittels eines elektronischen Steuergeräts gesteuert werden kann. Der Zylinder ist oben offen, um die Luftströmung reinlassen zu können und um zum Ausgang der Wasserpumpe angeschlossen zu werden. Unten hat der Zylinder einen Boden mit einer Rohrableitung, die ein eingebautes steuerbares Sperrventil besitzt, um mittels dieses Rohres an den Eingang der Wasserpumpe angeschlossen zu werden. Die Innenseite des Zylinders ist mit der Sperre ausgestattet, um den Hub der Kolbe abzugrenzen. Die Kolbe, als separat beweglicher Teil des Systems, hat mittig ein Diaphragma bzw. mehrere steuerbare Öffnungen, um die Arbeitsflüssigkeit oberhalb und unterhalb der Kolbe voneinander kontrollierend entweder zu trennen oder sie miteinander zu verbinden. Die Kolbe soll multifunktional sein und eine positive Schwimmfähigkeit haben. Das heißt, dass bei den geöffneten Öffnungen die Kolbe die Funktion eines Schwimmkörpers und bei den geschlossenen Öffnungen die Funktion einer Kolbe eines Zylinder-Kolben-Systems ausführen soll. Dadurch bildet sich für die Arbeitsflüssigkeit ein steuerbares Kreislaufsystem, das durch prozessbezogene Steuerung der Öffnungen der Kolbe geteilt verwaltet werden kann. Mittels des elektronischen Steuergeräts werden die entsprechenden elektromechanischen Steuerungskomponenten wie das Wasserventil und die Öffnungen der Kolbe prozessbezogen verwaltet. Die Betätigungsmechanismen werden von einer externen Energiequelle wie eine Batterie, die mittels Ladestation an den Ausgang des Generators und an die Wasserturbine angeschlossen ist, eingespeist. Das Steuergerät wird ebenfalls von dieser Energiequelle angetrieben.
Der Gravitationsantrieb für Wasserturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels erfindungsgemäßen Funktionsprinzips des Gravitationsantriebes einer Wasserturbine das Konvertieren der entstandenen Naturkräfte in eine andere Energieform wie folgt möglich macht. Die Startposition: Das Diaphragma bzw. die Öffnungen auf der schwimmfähigen Kolbe und das sperrbare Ventil sind zu. Das Wasser im Rohr sowie oberhalb und unterhalb der Kolbe ist entsprechend gefüllt. Die elektronische Steuerung ist aus. Die Wasserturbine ist dadurch außer Betrieb. Diese Position ist mühelos erreichbar und das System kann beliebig lang in dieser Position bleiben. Der 1. Takt. Anfang: Die elektronische Steuerung öffnet das Sperrventil. Das Diaphragma der Kolbe bleibt zu. Die Last des Wassers mit der Masse M. oberhalb der Kolbe, druckt die Kolbe mit der Schwerkraft: F_wasser = Mg nach unten, wobei und weiterhin g – die Erdbeschleunigung ist. Diese Kraft erzeugt im Rohr mit dem Querschnitt s folgenden Druck:
Die Wassersäule im Rohr mit der Höhe H erzeugt einen Gegendruck: P_rohr = ρ9H Dementsprechend der resultierte Druck P im Rohr ist: P = P_kolbe – P_rohr = Mg / s – ρgH Die Gleitreibung des Zylinder-Kolben-Systems und die Wasserreibung im Transportrohr können bei sorgfältiger Anlageplanung immer minimal gehalten werden, sodass: P >> Reibung (Stand der Technik). Wie aus dieser Gleichung ersichtlich ist, um einen positiven und nutzbaren Druck zu bekommen, soll die folgende Gleichung stimmen: P >> 0 das heißt: M >> ρHs Wenn der Querschnitt der Kolbe bzw. die Bohrung des Zylinders S ist und die Höhe des Wasserstandes oberhalb der Kolbe h ist, dann für obige Gleichung gilt Folgendes: ρSh >> pHs oder Sh >> sH oder S/s >> H/h Da die Gleichung H > h für eine beliebige Anlage konstruktionsbedingt konstant ist, wird es bei entsprechender Dimensionierung der Anlage immer möglich sein, die Werte S und s so zu halten, dass die Gleichung S >> s immer stimmt, sodass der resultierte Druck der Anlage immer positiv wird: P >> 0. Dadurch strömt das Wasser in die Wasserturbine und treibt sie an. Das durchgehende Wasser fließt ungehindert in den Zylinder zurück und hält den Wasserpegel des Systems konstant und dadurch wird die Schwerkraft der Wassermassen oberhalb der Kolbe ebenfalls während des gesamten Hubes konstant gehalten. Die Höhe des Hubes ist konstruktiv bei der Anlageplanung festzulegen. Der 1. Takt. Ende: Am Ende des Hubes soll das Ventil des Wassertransportrohres mittels der Steuerung gesperrt werden. Die Wasserturbine während des 1. Taktes liefert nutzbare Arbeit, die an den Stromgenerator weiter geleitet werden kann. Der 2. Takt. Anfang: In dieser Position ist die Wasserturbine im Leerlauf und liefert keine Energie, da kein Wasserdruck mehr vorhanden ist. Das Sperrventil des Wassertransportrohres ist zu. Durch die elektronische Steuerung wird das Diaphragma bzw. die Öffnungen auf der schwimmfähigen Kolbe geöffnet. Die Kolbe verliert dadurch die Dichtigkeit eines Zylinder-Kolben-Systems und weiterhin funktioniert wie ein Schwimmkörper. Die Schwimmfähigkeit der Kolbe mit den geöffneten Öffnungen bzw. mit dem geöffneten Diaphragma ist konstruktiv festzulegen, was mühelos erreichbar ist. Durch das Öffnen des Diaphragmas entsteht kein Drucklast der Wassermassen M oberhalb der Kolbe mehr. Die Kolbe bewegt sich mit der Auftriebskraft: F_auftrieb = ρgV nach oben, wobei: ρ – die Wasserdichte und V – das Volumen der Kolbe sind. Das Volumen der Kolbe, das in dieser Konstellation die Auftriebskraft bestimmt, soll so genommen werden, dass die Gleitreibungskraft zwischen der Innenwand des Zylinders und der Außenwand der Kolbe die Kolbenbewegung nicht hindert, was unproblematisch ist. Außerdem soll die Kolbe eine positive Schwimmfähigkeit haben, was ebenfalls mühelos erreichbar ist (Stand der Technik). Der 2. Takt. Ende: Die Kolbe, die in diesem Moment ein Schwimmkörper ist, erreicht die obere Hubsperre auf der Innenwand des Zylinders und bleibt in der Position stehen. Das Diaphragma bzw. die Öffnungen auf der Kolbe können danach mittels Steuerung zugemacht werden. Dadurch ist eine Position, identisch der Startposition, erreicht. Die Anlage kann wiederholt vom 1. Takt weiterhin gesteuert werden. Entsprechend oben dargestellter Taktung kann die Anlage zyklisch weiterarbeiten. Der gesamte Arbeitszyklus wiederholt sich automatisch und die Anlage funktioniert selbstständig weiter. Ein einziges Zylinder-Kolben-System liefert den Arbeitsdruck nur während des 1. Taktes. Der 2. Takt liefert keine nutzbare Energie und dient nur zur Wiederherstellung der Startposition. Zwei gegenphasig geschaltete Systeme erzeugen permanenten Druck, den auf eine Wasserturbine geleitet werden kann. Die Leistungsfähigkeit der Anlage ist planbar. Dieses Prinzip ermöglicht die Energieversorgung in einem Insel- oder in einem Netzbetrieb, als eine einzelne Anlage oder in einer Kaskadenbauweise, ab ca. 2 KW bis zu mehreren MW zu organisieren, wobei mehrere Gravitationsantriebe eine einzige Wasserturbine antreiben können.