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Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung zur Verdrängung einer Flüssigkeit aus einem Zylinder einer Zylinder-Kolben-Einrichtung, mit einer Hebeeinrichtung und jeweils einer mit der Zylinder-Kolben-Einrichtung in flüssigkeitsleitender Verbindung stehender Flüssigkeitsableitung und Flüssigkeitszuleitung, wobei die Zylinder-Kolben-Einrichtung einen in dem Zylinder verlagerbaren Kolben aufweist, der von einer ersten Position in eine zweite Position verlagerbar ist und wobei die Flüssigkeitszuleitung eine Verschlussvorrichtung zur flüssigkeitsdichten Abdichtung des Zylinders aufweist. Zudem betrifft die Erfindung eine Energieumwandlungsvorrichtung mit einer Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung zur Umwandlung einer Lageenergie einer Flüssigkeit in elektrischen Strom.
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Im Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Beförderung von Flüssigkeiten bekannt. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit über ein flüssigkeitsleitendes Rohrsystem mittels einer Pumpe von einem Ort zu einem anderen Ort befördert werden. Solche Pumpen können nach ihrem Funktionsprinzip in unterschiedliche Hauptgruppen eingeteilt werden, beispielsweise Verdrängerpumpen, Strömungspumpen und Strahlpumpen. Bei Verdrängerpumpen wird eine Flüssigkeit durch ein geschlossenes Rohrsystem gefördert, wobei eine Verhinderung des Zurückströmens durch Ventile oder Klappen erreicht wird. Verdrängerpumpen sind in der Regel selbstansaugend, das bedeutet, dass auch für Flüssigkeiten konstruierte Pumpen für einen zumeist begrenzten Zeitraum Gase fördern können und so einen zum Ansaugen hinreichenden Unterdruck aufbauen. Nachteilig bei Verdrängerpumpen ist, dass die maximale Ansaughöhe (geodätische Saughöhe) durch das erreichbare Vakuum, den örtlichen Luftdruck, die Dichte des Mediums und die zu überwindenden Strömungswiderstände begrenzt ist. Zudem muss eine Pumpe eine Antriebseinheit aufweisen, die entweder durch einen entsprechenden Motor oder einen Hebel zur manuellen Betätigung realisiert wird.
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Des Weiteren sind Wasserkraftwerke oder Pumpspeicher-Kraftwerke zur Stromerzeugung mittels Lageenergie von Wasser bekannt, bei denen ebenfalls eine Flüssigkeit befördert werden muss. Die Kraftwerke bestehen in der Regel aus zwei Becken, die höhenmäßig unterschiedlich angeordnet sind, wobei Wasser aus dem ersten Becken in das zweite Becken fließt. Das erste Becken ist oftmals als Stausee ausgebildet. Zwischen den Becken liegt das eigentliche Kraftwerk in Form von Turbinen und Generatoren. Das Wasser fließt aus dem ersten Becken in das zweite Becken, so dass durch die Lageenergie des Wassers mithilfe der Turbinen elektrischer Strom erzeugt werden kann. Hierfür durchströmt das Wasser die Turbine, die die potentielle Energie in mechanische Energie umformt. Der mit der Turbine direkt oder über ein Getriebe gekuppelter elektrischer Generator wandelt wiederum die mechanische in elektrische Energie um.
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Ein Pumpspeicher-Kraftwerk ist eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes und dient der Speicherung von elektrischer Energie durch Hinaufpumpen von Wasser. Dieses Wasser lässt man bei Bedarf wieder bergab fließen und erzeugt dabei mittels Turbinen und Generatoren elektrischen Strom. Die elektrische Energie wird also durch Umwandlung in potentielle Energie von Wasser gespeichert und nach Umwandlung dieser potentiellen Energie in elektrische Energie wieder ins Netz gespeist. Die erforderliche Energie für das Pumpen des Wassers kann auch in bedarfsarmen Zeiten von Grundleistungskraftwerken bereitgestellt werden. In jüngster Zeit werden aber auch Angebotsspitzen aus erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Windkraft, hierfür verwendet.
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Die bekannten Pumpspeicher-Kraftwerke besitzen einen begrenzten Wirkungsgrad, da die aufgenommene Energie nur zum Teil wiedergewonnen wird. Grundsätzlich wird in jedem Pumpspeicherkraftwerk mehr Strom zum Hochpumpen, das heißt zum Umwälzen benötigt, als beim Herunterfließen wieder zurückgewonnen werden kann. Verluste entstehen beim Lade- und beim Entladevorgang durch die Reibungsverluste des fließenden Wassers, durch den Wirkungsgrad der Pumpe (Ladevorgang) bzw. Turbine (Entladevorgang), durch den Wirkungsgrad des Motors bzw. des Generators sowie durch Trafoverluste und in geringem Maße auch durch Eigenbedarf des Pumpspeicherwerkes. Der Gesamtwirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerkes liegt heute in der Regel bei 75–80 %.
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Aufgabe der Erfindung war es demgemäß, eine Vorrichtung bereitzustellen, die nicht die Nachteile oder Mängel der bekannten Pumpen aufweist und mit der eine Flüssigkeit befördert werden kann. Ferner war es die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung für ein Wasserkraftwerk bereitzustellen, mit der eine Flüssigkeit transportiert werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Hebeeinrichtung mit dem Kolben in Wirkverbindung steht, wobei der Kolben in der ersten Position von der Hebeeinrichtung entkoppelt ist und sich von der ersten Position in die zweite Position verlagert, so dass eine in dem Zylinder vorliegende Flüssigkeit durch die Verlagerung des Kolbens aus dem Zylinder in die Flüssigkeitsableitung verdrängt wird und wobei der Kolben in der zweiten Position mit der Hebeeinrichtung gekoppelt ist, so dass der Kolben durch die Kopplung mit der Hebeeinrichtung in die erste Position verlagert wird. Mithilfe der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung kann in einer einfachen und kostengünstigen Weise eine Flüssigkeit bewegt werden.
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Eine Flüssigkeit ist im Sinne der Erfindung eine Materie im flüssigen Aggregatzustand, insbesondere ein inkompressibles Fluid. Dazu zählen auch Flüssigkeits-Feststoff-Gemische, Pasten und Flüssigkeiten mit geringem Gasanteil. Hierbei kann es sich beispielsweise um Wasser, Alkohole, Öle oder sonstige Flüssigkeiten handeln. Die Flüssigkeit kann über die Flüssigkeitszuleitung in den Zylinder gelangen, wobei vorzugsweise die Verschlussvorrichtung nach Einfließen der Flüssigkeit in den Zylinder von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand gebracht wird, so dass ein Zurückfließen der Flüssigkeit aus dem Zylinder in die Flüssigkeitszuleitung verhindert wird. Der Zylinder steht zudem in einer flüssigkeitsleitenden Verbindung mit der Flüssigkeitsableitung.
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Da die Flüssigkeitsableitung vorzugsweise derart ausgestaltet ist, dass sie im Wesentlichen vertikal nach oben führt, kann die Flüssigkeit aus dem Zylinder nicht in die Flüssigkeitsableitung fließen. Auch die Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung ist bevorzugt vertikal ausgerichtet, so dass der Kolben in einem Abwärtshub aus der ersten Position in die zweite Position und in einem Aufwärtshub aus der zweiten Position in die erste Position bewegt wird. Durch den Abwärtshub wird dann die Flüssigkeit aus dem Zylinder verdrängt. Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Flüssigkeitsableitung über ein Steigrohr und ein sich an das Steigrohr anschließende Fallrohr verfügt. Sobald der Kolben aus der ersten Position in die zweite Position verlagert wird, wird eine Antriebsarbeit des verlagerten Kolbens in eine Bewegungsenergie der in dem Zylinder vorliegenden Flüssigkeit übertragen und die Flüssigkeit wird in die Flüssigkeitsableitung verdrängt. Die Verlagerung des Kolbens kann insbesondere dann erfolgen, wenn die Verschlussvorrichtung in den geschlossenen Zustand gebracht ist.
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Diesbezüglich ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Kolben dann in dem Zylinder verfahren, das heißt aus der ersten Position in die zweite Position verlagert wird, sobald ein vorgegebener Füllstand in dem Zylinder erreicht ist. Durch die Positionsänderung des Kolbens wird die in dem Zylinder vorliegende Flüssigkeit in die mit dem Zylinder verbundene Flüssigkeitsableitung gepresst. Da eine Flüssigkeit im Wesentlichen nicht komprimierbar ist, weicht die Flüssigkeit in die mit dem Zylinder verbundene Flüssigkeitsableitung aus, sobald durch die Positionsänderung des Kolbens ein Druck in dem Zylinder aufgebaut wird.
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Die Zylinder-Kolben-Einrichtung der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung ist derart konstruiert, dass der Kolben in der ersten Position nicht mit der Hebeeinrichtung gekoppelt ist, wobei es bevorzugt ist, dass der Kolben mit einer Sperrvorrichtung in der ersten Position gehalten wird. Sobald der Kolben entsperrt ist, bewegt sich der Kolben aufgrund seines Eigengewichts aus der ersten Position in die zweite Position, das heißt er bewegt sich in einem Abwärtshub in die zweite Position. Durch den Abwärtshub des Kolbens wird die in dem Zylinder vorliegende Flüssigkeit in die Flüssigkeitsableitung verdrängt.
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Um eine effiziente Verfahrbarkeit des Kolbens in dem Zylinder herzustellen, kann es bevorzugt sein, dass der Kolben Führungsmittel, beispielsweise Führungsrollen aufweist, die seitlich an dem Kolben angelenkt sind und mit einer Innenfläche des Zylinders in Kontakt stehen, so dass der Kolben effizienter verfahrbar ist und die Reibung zwischen Kolben und Zylinder minimiert wird.
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Der Kolben der Zylinder-Kolben-Einrichtung weist vorzugsweise ein derartiges Gewicht auf, dass im Wesentlichen jegliches Volumen an Flüssigkeit, welches bei geschlossener Verschlusseinrichtung in dem Zylinder vorliegt, aus dem Zylinder verdrängt werden kann. Vorteilhafterweise ist jeweils in einem Zylinder ein Kolben angeordnet, wobei es auch bevorzugt sein kann, dass die Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung mehrere Zylinder-Kolben-Einrichtungen umfasst. Der Kolben ist bevorzugt aus Metall, insbesondere Stahl, gefertigt und passgenau in dem Zylinder verfahrbar. Der Kolben weist insbesondere eine zylinderförmige Form auf, wobei der Zylinder bevorzugt hohlzylinderförmig ausgestaltet ist. Die Zylinder-Kolben-Einrichtung kann jedoch auch in anderen Formen realisiert sein, wie beispielsweise eckig, beziehungsweise rechteckig. Ferner kann es vorteilhaft sein, den Kolben plattenförmig zu gestalten, der dann wiederum passgenau in dem Zylinder verfahrbar ist.
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Um den Kolben möglichst kostengünstig bereitzustellen, kann es bevorzugt sein, dass an dem Kolben ein Gewicht angeordnet ist, so dass der Kolben nach Entkopplung von der Hebeeinrichtung aufgrund des zusätzlichen Gewichts aus der ersten Position in die zweite Position gebracht wird. Hierdurch kann der Kolben gewichtssparend ausgestaltet sein, da der Kolben im Wesentlichen von dem Eigengewicht des zusätzlichen Gewichtes in die zweite Position gebracht wird. Das Gewicht kann insbesondere ein Eigengewicht in einem Bereich von 500 Kilogramm bis 2000 Kilogramm aufweisen, wobei das das Eigengewicht des Gewichtes im Wesentlichen von der Größe, insbesondere den Ausmaßen der Kolben-Zylinder-Einrichtung abhängig ist. Dem Fachmann ist bekannt, dass in Abhängigkeit von dem Volumen der zu verdrängenden Flüssigkeitsmenge ein Gewicht ausgewählt werden muss. Das heißt, im Falle eines Zylinders mit einem größeren Volumen und folglich einer größeren in dem Zylinder vorliegenden Menge an Flüssigkeit, sollte auch das Eigengewicht des Gewichtes entsprechend angepasst werden.
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Um einen für die Verdrängung der Flüssigkeit ausreichenden Druck in dem Zylinder aufzubauen, muss der Kolben möglichst passgenau in dem Zylinder verfahrbar sein. Diesbezüglich kann es vorteilhaft sein, dass die Zylinder-Kolben-Einrichtung Dichtungen zur flüssigkeitsdichten Abdichtung des Zylinders aufweist, um so die Dichtigkeit des Zylinders noch durch die Verwendung der Dichtung zu erhöhen und folglich die gerichtete Verdrängung der Flüssigkeit aus dem Zylinder zu erreichen. Beispielsweise kann eine Lippen- oder Ringdichtung aus Kunststoff verwendet werden, die insbesondere radial im Zylinder angeordnet ist und einen Austritt der Flüssigkeit in einen oberen Bereich des Zylinders und folglich einen Austritt der Flüssigkeit aus dem Zylinder verhindert, sobald der Kolben aus der ersten Position in die zweite Position gebracht wird und folglich im Zylinder Druck aufbaut. Die Dichtung kann auch am Kolben festgeklemmt werden. Kunststoffe bezeichnen insbesondere Materialien, deren wesentliche Bestandteile aus solchen makromolekularen organischen Verbindungen bestehen, die synthetisch oder durch Abwandeln von Naturprodukten entstehen. Zu den Kunststoffen gehören insbesondere auch die Kautschuke und die Chemiefasern. Für die vorteilhafte Ausführungsform können Kunststoffe wie beispielsweise Naturstoffe, Gummi, synthetische Kunststoffe (Polykondensate, Polymerisate, Polyaddukte), Duroplaste, und/oder ungesättigte Polyesterharze, umfassend Cellulosenitrat, Celluloseacetat, Cellulosemischester, Celluloseether, Polyamid, Polycarbonat, Polyester, Polyphenylenoxid, Polysulfon, Polyvinylacetal, Polyethylen, Polypropylen, Poly-1-buten, Poly-4-methyl-1-penten, Ionomere, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polymethyl-methacrylat, Polyacrylnitril, Polystyrol, Polyacetal, Fluor-Kunststoffe, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Poly-p-xylylen, lineare Polyurethane, chlorierte Polyether, Casein-Kunststoffe, vernetzte Polyurethane, thermoplastische Polyurethane, Silicon, Polyimid, und/oder Polybenzimidazol verwendet werden. Ebenfalls kann eine Hydraulikdichtung verwendet werden.
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Nach Verdrängung der Flüssigkeit aus dem Zylinder wird der Kolben mit der Hebeeinrichtung aus der zweiten Position in die erste Position gebracht, wobei der Kolben insbesondere über Zugmittel mit der Hebeeinrichtung verbunden ist. Die Zugmittel können insbesondere als Seilzüge, bevorzugt Stahlseilzüge, ausgestaltet sein, wobei auch ein Kettenrad als Zugmittel verwendbar ist. In der zweiten Position ist der Kolben wieder mit der Hebeeinrichtung gekoppelt, so dass der Kolben durch die Kopplung mit der Hebeeinrichtung in die erste Position verlagert wird. Das heißt, die Hebeeinrichtung bewegt den Kolben in einem Aufwärtshub aus der zweiten Position in die erste Position.
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Diesbezüglich ist es vorgesehen, dass eine Regel- und/oder Steuereinheit die Kopplung der Hebeeinrichtung mit dem Kolben steuert, beziehungsweise regelt. Ferner ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Hebeeinrichtung mit dem Kolben über eine Kupplungseinrichtung in Wirkverbindung steht. Wenn der Kolben in der ersten Position ist, das heißt insbesondere an einem oberen Ende des Zylinders, ist der Kolben in einem Zustand in dem er potentielle Energie besitzt. Sobald der Kolben nunmehr von der Hebeeinrichtung automatisch oder manuell entkoppelt wird, das heißt die Wirkverbindung zwischen Kolben und Hebeeinrichtung unterbrochen ist, insbesondere durch die Kupplungseinrichtung, bewegt sich der Kolben durch sein Eigengewicht oder in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mithilfe des an dem Kolben angeordneten Gewichtes in die zweite Position. In der zweiten Position besitzt der Kolben insbesondere keine potentielle Energie mehr.
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Es ist bevorzugt, dass die Hebeeinrichtung einen Motor umfasst, der mit dem Kolben über die Kupplungseinrichtung in Wirkverbindung steht und in der zweiten Position mit dem Kolben gekoppelt ist. Der Kolben wird in der zweiten Position wieder mit der Hebeeinrichtung gekoppelt, vorzugweise manuell oder automatisch. Der Kolben kann insbesondere von einem Motor, der mit dem Kolben in Wirkverbindung steht, aus der zweiten Position in die erste Position befördert, insbesondere gezogen werden.
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Um eine vom Motor geleistete Antriebsarbeit zu unterstützen oder diese sogar vollständig zu ersetzen, ist vorgesehen, dass die Hebeeinrichtung ein Gegengewicht aufweist, das mit dem Kolben über die Kupplungseinrichtung in Wirkverbindung steht, wobei der Kolben in der zweiten Position mit dem Gegengewicht gekoppelt ist, so dass der Kolben durch die Kopplung mit dem Gegengewicht in die erste Position verlagert wird. Das Gegengewicht ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass es ein höheres Gewicht aufweist als der Kolben, so dass der Kolben durch die Kopplung mit dem Gegengewicht aus der zweiten Position in die erste Position bewegt werden kann. Das Gegengewicht kann somit den Motor unterstützen, indem es beim Anheben des Kolbens, das heißt dessen Verlagerung aus der zweiten Position in die erste Position, behilflich ist und den Kolben ebenfalls in die erste Position bewegt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Kolben ausschließlich von dem Gegengewicht von der zweiten Position in die erste Position bewegt wird.
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Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Gegengewicht in dem vom Kolben entkoppelten Zustand in einer ersten Stellung vorliegt und in dem mit dem Kolben gekoppelten Zustand in einer zweiten Stellung vorliegt. Das Gegengewicht besitzt ein höheres Gewicht als der Kolben. In der ersten Stellung weist das Gegengewicht eine höhere potentielle Energie auf als in der zweiten Stellung, wobei es in vertikaler Richtung in der ersten Stellung höher angeordnet ist, als in der zweiten Stellung. Sobald das Gegengewicht mit dem Kolben gekoppelt ist, zieht es den Kolben aus der zweiten Position in die erste Position und wird selbst von der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt. Diesbezüglich ist das Gegengewicht bevorzugt derart ausgelegt, dass durch die Kopplung des Gegengewichtes mit dem Kolben, der Kolben aus der zweiten Position in einem Aufwärtshub in die erste Position gebracht wird.
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Um eine Anhebung des Gegengewichtes zu erreichen und es aus der zweiten Stellung in die erste Stellung zu befördern, ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Gegengewicht in dem vom Kolben entkoppelten Zustand in einer ersten Stellung vorliegt und in dem mit dem Kolben gekoppelten Zustand in einer zweiten Stellung vorliegt und der Motor das Gegengewicht aus der zweiten Stellung in die erste Stellung befördert. Das Gegengewicht ist insbesondere derart ausgelegt, dass durch die Kopplung des Gegengewichtes mit dem Kolben, der Kolben aus der zweiten Position in einem Aufwärtshub in die erste Position gebracht wird.
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Das Gegengewicht kann über Zugmittel mit dem Motor, insbesondere mit einer mit dem Motor verbundenen Rolle verbunden sein. Es ist bevorzugt, die Hebeeinrichtung als Flaschenzug oder Kettenzug auszubilden. Der Flaschenzug, beziehungsweise Kettenzug besteht aus festen und/oder losen Rollen und einem Seil oder einer Kette. Der Motor der Hebeeinrichtung kann beispielsweise als Elektromotor oder Verbrennungsmotor ausgestaltet sein und somit mit dem Kolben und/oder dem Gegengewicht in Wirkverbindung stehen, wobei es auch vorteilhaft sein kann, einen weiteren Motor mit dem Gegengewicht zu verbinden, um das Gegengewicht aus der zweiten Stellung in die erste Stellung zu befördern.
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Die Hebeeinrichtung, das heißt, der Motor und/oder das Gegengewicht stehen mit dem Kolben insbesondere über eine Kupplungseinrichtung in Wirkverbindung. Eine Kupplungseinrichtung ist insbesondere ein Maschinenelement zur starren, elastischen, beweglichen oder lösbaren Verbindung zweier Wellen, insbesondere einer Welle der Hebeeinrichtung und einer Welle die mit dem Kolben in Wirkverbindung steht. Eine nicht starre Kupplung kann neben einer formschlüssigen auch eine kraftschlüssige Verbindung sein. Durch die Verbindung wird es möglich, zwischen beiden Wellen Rotation und damit Drehmoment und letztlich mechanische Arbeit zu übertragen. Die Wirkverbindung zwischen Hebeeinrichtung und Kolben kann also unterbrochen werden, so dass der Kolben ohne Bremsung durch die Hebeeinrichtung aus der ersten Position in die zweite Position verlagert werden kann.
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Die Kupplungseinrichtung kann in einer bevorzugten Ausgestaltung als Überholkupplung, das heißt als Freilauf ausgestaltet sein. Der Freilauf, der auch mit einer Rücklaufsperre ausgestattet sein kann, ist ein Maschinenteil, das ebenfalls den Antriebsstrang des Motors von beispielsweise der Drehbewegung der Zugmittel abkoppelt. Freiläufe können beispielsweise mit Klemmrollen, mit Klemmkörpern, mit Sperrklinken, mit Zahnscheiben, mit einer Schlingfeder oder mit fliehkraftabhebenden Kupplungen realisiert werden.
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In einer Ausgestaltung ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Kupplungseinrichtung ein Bestandteil des Motors ist, wobei auch bevorzugt sein kann, die Kopplung zwischen Hebeeinrichtung und Kolben über ein Getriebe zu realisieren.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Verschlussvorrichtung mit einem steuerbaren Verschlussmittel zu öffnen und zu schließen ist. Die Verschlussvorrichtung kann beispielsweise unmittelbar an den Zylinder angelenkt sein und bei Bedarf eine Abdichtung des Zylinders erreichen, so dass keine Flüssigkeit in einen oberen Bereich des Zylinders gelangen, beziehungsweise aus dem Zylinder heraustreten kann.
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Die Flüssigkeitsableitung kann vorteilhafterweise innerhalb oder außerhalb des Zylinders angeordnet sein. Beispielsweise kann die Flüssigkeitsableitung, insbesondere das Steigrohr, als flüssigkeitsleitender Durchbruch in den Kolben integriert sein. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass die Flüssigkeitsableitung, insbesondere das Steigrohr, außerhalb des Zylinders angeordnet ist und im flüssigkeitsleitenden Kontakt mit dem Zylinder steht.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Energieumwandlungsvorrichtung zur Umwandlung einer Lageenergie einer Flüssigkeit in elektrischen Strom, mit einem ersten Flüssigkeitsbehältnis und einem relativ zu dem ersten Flüssigkeitsbehältnis niedriger angeordneten zweiten Flüssigkeitsbehältnis, wobei das erste und das zweite Flüssigkeitsbehältnis über ein flüssigkeitsleitendes Verbindungssystem miteinander verbunden sind und zwischen den Flüssigkeitsbehältnissen eine Fluidenergiemaschine angeordnet ist, so dass eine aus dem ersten Flüssigkeitsbehältnis und durch das Verbindungssystem fließende Flüssigkeit durch die Fluidenergiemaschine in das zweite Flüssigkeitsbehältnis fließt, wobei das zweite Flüssigkeitsbehältnis mit der Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung verbunden ist. Das zweite Flüssigkeitsbehältnis kann auch mit einer dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis nachgeschalteten Flüssigkeitsleitung mit der Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung flüssigkeitsleitend verbunden sein. Durch die Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung kann die Flüssigkeit umgewälzt werden, so dass in einer bevorzugten Ausgestaltung der Energieumwandlungsvorrichtung in der Energieumwandlungsvorrichtung ein im Wesentlichen konstantes Volumen der Flüssigkeit vorliegt. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Flüssigkeit im Wesentlichen konstant ist, sofern der Energieumwandlungsvorrichtung keine Flüssigkeit zugefügt oder dieser entnommen wird. Das heißt, die Energieumwandlungsvorrichtung ist insbesondere als ein geschlossenes System ausgestaltet. Es hat sich gezeigt, dass die Energieumwandlungsvorrichtung universell eingesetzt werden kann, und beispielsweise schwer zugänglichen Gebieten zur Energieumwandlung genutzt werden kann. Zum Beispiel kann die Energieumwandlungsvorrichtung in einer Wüste errichtet werde, da in der Energieumwandlungsvorrichtung eine nahezu konstante Flüssigkeitsmenge zirkuliert und die Energieumwandlungsvorrichtung im Wesentlichen autark arbeitet. Zudem kann die Energieumwandlungsvorrichtung in einfacher Weise an den jeweiligen Energiebedarf angepasst werden, indem beispielsweise mehrere Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtungen in die Energieumwandlungsvorrichtung integriert werden.
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Es ist vorgesehen, dass die mit der Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung verbundenen Flüssigkeitsableitung mit dem ersten Flüssigkeitsbehältnis flüssigkeitsleitend verbunden ist, so dass die in dem Zylinder vorliegende Flüssigkeit durch die Verlagerung des Kolbens aus der ersten Position in die zweite Position aus dem Zylinder in die Flüssigkeitsableitung und über die Flüssigkeitsableitung in das zweite Flüssigkeitsbehältnis befördert wird. Eine Flüssigkeit kann in dem ersten Flüssigkeitsbehältnis vorliegen und in diese beispielsweise über einen Zulauf gelangen. Die Flüssigkeit kann steuerbar aus dem ersten Flüssigkeitsbehältnis über ein flüssigkeitsleitendes Verbindungssystem in das zweite Flüssigkeitsbehältnis fließen, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis eine Fluidenergiemaschine angeordnet ist, die von der Flüssigkeit durchströmt wird. Das Verbindungssystem kann offene oder geschlossene Flüssigkeitstransportwege umfassen. Flüssigkeitstransportwege umfassen im Sinne der Erfindung insbesondere Rohre oder Leitungen, aber auch Schalen, Rinnen oder Kanäle, die wiederum offen oder geschlossen ausgestaltet sein können. Das heißt, die Verbindungssysteme können U-förmig oder hohlzylinderförmig ausgestaltet sein.
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Um den Zufluss und den Abfluss in, beziehungsweise aus den Flüssigkeitsbehältnissen zu regulieren, ist bevorzugt, dass das erste und das zweite Flüssigkeitsbehältnis steuerbare Zu- und Abflussöffnungen aufweisen. Hierbei kann es sich beispielswiese um Klappen, Schieber oder steuerbare Ventile, insbesondere Durchgangsventile, Sperrventile oder Stromventile handeln, die automatisch oder manuell regelbar sind.
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Da das erste Flüssigkeitsbehältnis gegenüber dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis höher angeordnet ist, weist die Flüssigkeit in dem ersten Flüssigkeitsbehältnis eine höhere potentielle Energie auf als die Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis. Diese potentielle Energie wird mittels der Fluidenergiemaschine in elektrischen Strom umgewandelt. Vorteilhafterweise weist die Fluidenergiemaschine eine Wasserturbine auf. Die Turbine kann beispielsweise eine Gleichdruckturbine oder eine Überdruckturbine sein. Eine Wasserturbine ist eine Turbine, welche die Kraft einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, nutzbar macht. Durch die Positionsänderung der Flüssigkeit, das heißt, dadurch, dass die Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsbehältnis in das zweite Flüssigkeitsbehältnis strömt und das zweite Flüssigkeitsbehältnis relativ zum ersten Flüssigkeitsbehältnis niedriger angeordnet ist, wird die potentielle Energie der Flüssigkeit in kinetische Energie umgewandelt. In der Turbine wird die kinetische Energie der Flüssigkeit in mechanische Energie umgewandelt, was in der Regel die Drehung einer Turbinenwelle bewirkt. Diese Drehung kann für den Antrieb von Transmissionsgetrieben verwendet werden. Diesbezüglich kann es vorteilhaft sein, wenn die Fluidenergiemaschine einen Generator umfasst, der dann wiederum die von der Turbinenwelle erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
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Dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis ist eine Flüssigkeitsleitung nachgeschaltet, so dass die Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis durch die Flüssigkeitsleitung in die Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung fließen kann. Die Flüssigkeitsleitung kann aus dem Fachmann bekannten Leitungssystemen bestehen, wobei offene oder geschlossene Leitungen, das heißt, Flüssigkeitstransportwege, wie Rohre, Kanäle oder Leitungen verwendet werden können. Die Flüssigkeit fließt aus dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis durch die Flüssigkeitsleitung in den Zylinder der Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung. Diesbezüglich kann es vorteilhaft sein, wenn die Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung relativ zu dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis niedriger angeordnet ist, so dass der Zylinder schnell und effizient gefüllt werden kann.
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Die Flüssigkeitsableitung der Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung verfügt bevorzugt über ein Steigrohr und ein sich an das Steigrohr anschließende Fallrohr, welches mit dem ersten Flüssigkeitsbehältnis flüssigkeitsleitend verbunden ist, so dass die aus dem Zylinder verdrängte Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsableitung in das erste Flüssigkeitsbehältnis befördert wird.
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Die Energieumwandlungsvorrichtung kann mehrere Zylinder-Kolben-Anordnungen, beziehungsweise Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung umfassen, die synchron oder asynchron von der Regel- und/oder Steuereinheit gesteuert werden. Das heißt, ein Kolben kann beispielsweise aus der zweiten in die erste Position gebracht werden, wohingegen ein weiterer Kolben einer sonstigen Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung zur gleichen Zeit aus der ersten Position in die zweite Position verfährt. Hierdurch kann eine gleichmäßige und dauerhafte Bereitstellung von elektrischer Energie durch die Energieumwandlungsvorrichtung erreicht werden. Diesbezüglich kann die Energieumwandlungsvorrichtung auch mehrere Hebeeinrichtungen umfassen.
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Im nachfolgenden soll die Erfindung beispielhaft anhand von Figuren erläutert werden. Es zeigt:
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1 eine Seitenansicht einer Ausgestaltung einer Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung,
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2 eine Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung einer Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung,
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3 eine Seitenansicht einer Ausgestaltung eines Zylinders einer Kolben-Zylinder-Einrichtung und
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4 eine Seitenansicht einer Ausgestaltung einer Energieumwandlungsvorrichtung.
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Die 1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausgestaltung einer Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung, die 2 eine Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung einer Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung, 3 eine Seitenansicht einer Ausgestaltung eines Zylinders einer Kolben-Zylinder-Einrichtung und die 4 eine Seitenansicht einer Ausgestaltung einer Energieumwandlungsvorrichtung. Die in 1 dargestellte Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung 1 zur Verdrängung einer Flüssigkeit aus einem Zylinder 2 weist eine Zylinder-Kolben-Einrichtung 3 mit einem Zylinder 2 und einem Kolben 7, eine Hebeeinrichtung 4 und jeweils eine mit der Zylinder-Kolben-Einrichtung 3 in flüssigkeitsleitender Verbindung stehender Flüssigkeitsableitung 5 und Flüssigkeitszuleitung 6 auf. Der in der Zylinder-Kolben-Einrichtung 3 verlagerbare Kolben 7 kann von einer ersten Position 8 in eine zweite Position 9 verlagert werden. Die erste Position 8 ist vorzugsweise in einem oberen Drittel des Zylinders 2 angeordnet und die zweite Position 9 in einem unteren Drittel des Zylinders 2. Um die Verlagerung des Kolbens 7 zu vereinfachen, können an dem Kolben 7 Führungsmittel 21, beispielsweise Führungsrollen, angelenkt sein, die die Verfahrbarkeit des Kolbens 7 in dem Zylinder 2 vereinfachen.
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Eine Flüssigkeit kann in den Zylinder 2 einfließen, wobei das Ausfließen der Flüssigkeit aus dem Zylinder 2 durch Verschlussvorrichtung 10 verhindert wird, die in oder an der Flüssigkeitszuleitung 6 angelenkt ist und den Zylinder 2 flüssigkeitsdicht abdichtet. Die Hebeeinrichtung 4 steht beispielsweise über Zugmittel 22 mit dem Kolben 7 in Wirkverbindung, wobei der Kolben 7 in der ersten Position 8 von der Hebeeinrichtung 4 entkoppelt ist. Diesbezüglich ist es vorgesehen, dass die Hebeeinrichtung 4 mit dem Kolben 7 über eine in 4 dargestellten Kupplungseinrichtung 11 in Wirkverbindung steht. Nach Entkopplung des Kolbens 7 von der Hebeeinrichtung 4, verlagert sich der Kolben 7 von der ersten Position 8 in die zweite Position 9, so dass eine in dem Zylinder 2 vorliegende Flüssigkeit durch die Verlagerung des Kolbens 7 aus dem Zylinder 2 in die Flüssigkeitsableitung 5 verdrängt wird. Die Verlagerung des Kolbens 7 kann zum einen durch das Eigengewicht des Kolbens 7 erreicht werden, wie es beispielhaft in der 1 dargestellt ist, so dass sich dieser aufgrund seines Eigengewichtes in einem Abwärtshub aus der ersten Position 8 in die zweite Position 9 bewegt. Der Kolben 7 in der 1 und der 2 ist plattenförmig ausgestaltet. Die Abwärtsbewegung des Kolbens 7 kann jedoch – wie in 2 dargestellt – durch ein mit dem Kolben 7 verbundenes Gewicht 12 gefördert werden. Das Gewicht 12 ist derart ausgelegt, dass es den Kolben 7 durch das Eigengewicht des Gewichtes 12 in einem Abwärtshub aus der ersten Position 8 in die zweite Position 9 befördert. Das Gewicht 12 kann mit dem Fachmann bekannten Befestigungsmittel, wie beispielsweise Kleben, Klemmen, Schrauben oder Nieten an dem Kolben 7 reversibel oder irreversibel befestigt sein. Nach Entkopplung von der Hebeeinrichtung 4 bewegt sich der Kolben 7 aufgrund der auf ihn wirkenden Gewichtskraft des Gewichtes 12 aus der ersten Position 8 in die zweite Position 9. Die Zylinder-Kolben-Einrichtung 3 der Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung 1 ist derart konstruiert, dass der Kolben 7 in der ersten Position 8 nicht mit der Hebeeinrichtung 4 gekoppelt ist, wobei der Kolben 7 mit einer nicht in den Figuren dargestellten Sperrvorrichtung in der ersten Position 8 gehalten werden kann. Ferner kann es auch vorteilhaft sein, den Kolben 7 in der ersten Position 8 mit der Hebeeinrichtung 4 zu koppeln und diese Kopplung in der ersten Position 8 durch eine entsprechende Entkopplung zu unterbrechen. Die Sperrvorrichtung kann durch einen ebenfalls nicht gezeigte Regel- und/oder Steuereinheit gesteuert beziehungsweise geregelt werden. Sobald der Kolben 7 entsperrt ist, bewegt sich der Kolben 7 aus der ersten Position 8 in die zweite Position 9, das heißt er bewegt sich in einem Abwärtshub in die zweite Position 9. Durch den Abwärtshub des Kolbens 7 wird die in dem Zylinder 2 vorliegende Flüssigkeit in die Flüssigkeitsableitung 5 verdrängt. Die Verschlussvorrichtung 6 kann ein steuerbares Verschlussmittel aufweisen, mit dem der Zylinder 2 flüssigkeitsdicht abgedichtet wird und eine gerichtete Verdrängung der in dem Zylinder 2 vorliegenden Flüssigkeit in die Flüssigkeitsableitung 5 erfolgt. Die Flüssigkeitsableitung 5 kann auch außerhalb des Zylinders 2, beziehungsweise der Zylinder-Kolben-Einrichtung 3 angeordnet sein, wie beispielhaft in 3 dargestellt ist.
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Um eine Anhebung des Kolbens aus der zweiten Position 9 in die erste Position 8 zu erreichen, wird der Kolben 7 in der zweiten Position 9 wieder mit der Hebeeinrichtung 4 gekoppelt, so dass der Kolben 7 durch die Kopplung mit der Hebeeinrichtung 4 in die erste Position 8 verlagert wird. Die Hebeeinrichtung 4 kann einen nicht in den Figuren dargestellten Motor aufweisen, der den Kolben 7 von der zweiten Position 9 in die erste Position 8 anhebt.
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Eine Ausgestaltung einer Energieumwandlungsvorrichtung 16 ist beispielshaft in 4 dargestellt. Die Energieumwandlungsvorrichtung 16 wird zur Umwandlung einer Lageenergie einer Flüssigkeit in elektrischen Strom genutzt mit einem ersten Flüssigkeitsbehältnis 17 und einem relativ zu dem ersten Flüssigkeitsbehältnis 17 niedriger angeordneten zweiten Flüssigkeitsbehältnis 18, wobei das erste und das zweite Flüssigkeitsbehältnis 17, 18 über ein flüssigkeitsleitendes Verbindungssystem 19 miteinander verbunden sind. Zwischen dem ersten Flüssigkeitsbehältnis 17 und dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis 18 ist eine Fluidenergiemaschine 20 angeordnet, so dass eine aus dem ersten Flüssigkeitsbehältnis 17 und durch das Verbindungssystem 19 fließende Flüssigkeit durch die Fluidenergiemaschine 20 in das zweite Flüssigkeitsbehältnis 18 fließt. Um die in dem zweiten Flüssigkeitsbehältnis 18 vorliegende Flüssigkeit erneut in das erste Flüssigkeitsbehältnis 17 zu bekommen, ist das zweite Flüssigkeitsbehältnis 18 flüssigkeitsleitend mit der Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung 1 verbunden. Die Flüssigkeitsableitung 5 verfügt über ein Steigrohr 14 und ein sich an das Steigrohr 14 anschließende Fallrohr 15. Die mit der Flüssigkeitsverdrängungsvorrichtung 1 verbundene Flüssigkeitsableitung 5 ist wiederum flüssigkeitsleitend mit dem ersten Flüssigkeitsbehältnis 17 verbunden, so dass die in dem Zylinder 2 vorliegende Flüssigkeit durch die Verlagerung des Kolbens 7 aus der ersten Position 8 in die zweite Position 9 aus dem Zylinder 2 in die Flüssigkeitsableitung 5 und über die Flüssigkeitsableitung 5 in das zweite Flüssigkeitsbehältnis 17 befördert wird. Durch diese Umwälzung der Flüssigkeit ist ein dauerhafter Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung 16 sichergestellt, wobei in der Energieumwandlungsvorrichtung 16 ein konstantes Volumen einer Flüssigkeit vorliegt und dieses Volumen zur dauerhaften Energieumwandlung genutzt wird. Hierdurch wird eine universelle Einsetzbarkeit der Energieumwandlungsvorrichtung 16 erreicht.
