DE102016111090A1

DE102016111090A1 - Auftriebskraftwerk

Info

Publication number: DE102016111090A1
Application number: DE102016111090.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Auftriebskraftwerk (1), insbesondere für tiefe Gewässer wie Meere oder Seen, aufweisend einen Auftriebsbehälter (2) mit einem veränderbaren Gasvolumen, einen Ballastkörper (3) und einen Druckgasspeicher (4) mit Bremszylinder (9.2) und Bremskolben (9.1), dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebsbehälter (2) den Ballastkörper (3) unter Verringerung seines Gasvolumens aufnehmbar ausgestaltet ist, wobei das Gasvolumen des Auftriebsbehälters (2) mit dem Druckgasspeicher (4) gasaustauschbar verbindbar ist und dass der Auftriebsbehälter (2) mit mindestens teilweise aufgenommenem Ballastkörper (3) bei verringertem Gasvolumen in der Flüssigkeit von einer oberen Andockstation (5) zu einer unteren Andockstation (6) sinkend und dabei über ein Zugmittel (10) mechanische Arbeit verrichtend ausgebildet ist, wobei das Gasvolumen des Auftriebsbehälters (2) an der unteren Andockstation (6) mit Gas aus dem Druckgasspeicher (4) vergrößerbar und Auftrieb erzeugend ausgebildet ist, wobei der Auftriebsbehälter (2) mit vergrößertem Gasvolumen gemeinsam mit dem Ballastkörper (3) nach oben aufschwimmend bis zur oberen Andockstation (5) ausgebildet ist und dass an der unteren Andockstation (6) die Bewegungsenergie des sinkenden Auftriebsbehälters (2) und Ballastkörpers (3) über den Bremskolben (9.1) im Bremszylinder (9.2) Druck erhöhend in den Druckgasspeicher (4) einspeisbar ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Auftriebskraftwerkes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Auftriebskraftwerk, welches das Sinken und das Aufschwimmen von Körpern in Flüssigkeit über eine gewisse Höhe nutzt, um mechanische Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umzuwandeln. Gattungsgemäße Auftriebskraftwerke nutzen bevorzugt relativ tiefe Gewässer, wie Seen oder Meere, um eine ausreichende Höhe für die Zurverfügungstellung mechanischer Energie für das Sinken der entsprechenden Anlagenkomponente nutzen zu können.
Im Stand der Technik sind Auftriebskraftwerke bekannt, die die Gravitationskraft nutzen, um elektrische Energie zu gewinnen.
Es existieren Kraftwerke, welche darauf basieren, dass durch Sonneneinstrahlung erwärmte Luft aufgrund der geringeren Dichte in einem Turm nach oben strömt und dass diese Strömungsenergie mittels Turbinen genutzt wird. Ein Auftriebskraftwerk dieser Art, welches als sogenanntes Aufwindkraftwerk ausgeführt ist, wird in DE 20 2012 009 007 U1 beschrieben. Hier strömt die durch Sonneneinstrahlung erwärmte Luft durch einen Kamin nach oben. Die Energie der strömenden Luft kann mit Hilfe eines Turbinensystems genutzt werden. Zusätzlich ist dieses Aufwindkraftwerk mit einer Entsalzungsanlage gekoppelt, wobei die erwärmte, strömende Luft Wasserdampf aus einem Salzwasserbehälter aufnimmt. Das Wasser kondensiert dann an einer Spezialfolie und kann beispielsweise zum Bewässern von Pflanzen verwendet werden.
Ein anderes Funktionsprinzip, welches ebenfalls Gravitationskräfte ausnutzt, ist in der DE 10 2012 015 421 A1 beschrieben. Es wird ein Auftriebskraftwerk offenbart, bei dem mehrere Auftriebskörper in mehreren hintereinander geschalteten Zylindern elektromechanisch dazu gezwungen werden, alternierend auf- und abzutauchen. Diese alternierende Bewegung kann genutzt werden, um einen Generator zu betreiben.
Des Weiteren existieren Auftriebskraftwerke, welche den Auftrieb eines Körpers innerhalb einer Flüssigkeit nutzen. Dabei haben die Körper, an welchen die Auftriebsarbeit verrichtet wird, eine geringere mittlere Dichte verglichen mit der Dichte der sie umgebenden Flüssigkeit. In der DE 10 2014 010 380 A1 wird beispielsweise ein Auftriebskraftwerk offenbart, bei dem innerhalb einer Flüssigkeit mit Luft gefüllte Auftriebsbehälter nach oben steigen und dann wieder nach unten sinken. Die Auftriebsbehälter durchqueren eine mit Luft gefüllte Schleusenkammer. Der Luftdruck in dieser Schleusenkammer ist größer als der hydrostatische Druck des nebengeordneten Turmkraftwerks. Mit Hilfe eines Schiebers werden die Auftriebsbehälter in das Turmkraftwerk befördert und gleichzeitig wird die eingetretene Flüssigkeit aus der Schleusenkammer geschoben. Aufgrund des Auftriebs der Auftriebsbehälter legen sie sich an eine innerhalb des Turmkraftwerks befindliche Halteeinrichtung und bewegen das Zugmittel. Diese Bewegungsenergie kann mit Hilfe eines Generators genutzt werden.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2013 009 842 A1 wird ein Gravitations- beziehungsweise Auftriebskraftwerk mit Schleusensystem, Auftriebskörper und Flüssigkeitssäule offenbart. Innerhalb einer Wassersäule bewegen sich die Auftriebskörper nach oben und treiben ein Transportband an. Die Auftriebskörper werden dann über mehrere Schleusen über geneigte Ebenen mittels der Gravitation wieder an ihren ursprünglichen Ort geleitet. Die Rotationsbewegung des Transportbandes kann genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Nachteilig an den Lösungen aus dem Stand der Technik ist, dass nur apparativ aufwändige Lösungen mit teilweise nur geringer Effizienz zur Energieerzeugung beziehungsweise korrekt zur Energieumwandlung existieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Auftriebskraftwerk zur Verfügung zu stellen, welches kostengünstig einzurichten ist und welches Auftriebskräfte nutzt, um flexibel elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem selbstständigen Patentanspruch 9 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Erfindung nutzt den erhöhten Auftrieb und das Aufsteigen eines Körpers in einer Flüssigkeit aufgrund der Erhöhung des Volumens des Körpers innerhalb einer Flüssigkeit. Die Erhöhung des Volumens erfolgt durch die Vergrößerung einer Kavität des Körpers, wobei die Kavität mit einem Gas geringerer Dichte als die der den Körper umgebenden Flüssigkeit gefüllt wird. Da die Massenänderung minimal ist, steigt der Körper mit dem zusätzlichen Gasvolumen in der Flüssigkeit nach oben. Das Auftriebskraftwerk kann insbesondere in tiefen Gewässern wie Meeren oder Seen angewendet werden, da der aus der Tiefe der Gewässer resultierende realisierbare Höhenunterschied sich besonders für eine effiziente Ausführung eignet. Das Auftriebskraftwerk weist einen Auftriebsbehälter mit einem veränderbaren Gasvolumen, einen Ballastkörper und einen Druckgasspeicher mit Bremszylinder und Bremskolben auf. Der Auftriebsbehälter ist derart gestaltet, dass er den Ballastkörper unter Verringerung seines Gasvolumens aufnehmen kann. Das Gasvolumen ist das innere Volumen innerhalb eines solchen Auftriebsbehälters. Dieses innere Volumen, auch als Hohlraum oder Kavität bezeichnet, kann ein Gas aufnehmen und ist in seiner Größe veränderbar, so dass daraus resultierend der Auftrieb variiert. Bei der Aufnahme des Ballastkörpers im Auftriebsbehälter verringert sich das Gasvolumen des Auftriebsbehälters. Der Druckgasspeicher kann mit dem Auftriebsbehälter gasaustauschbar verbunden werden, so dass das durch den Ballastkörper aus dem Auftriebsbehälter verdrängte Gas in den Druckgasspeicher gelangen kann. Der Auftriebsbehälter sinkt mit mindestens teilweise aufgenommenem Ballastkörper bei verringertem Gasvolumen in der Flüssigkeit von einer oberen Andockstation an einem oberen Totpunkt zu einer unteren Andockstation an einem unteren Totpunkt. Dabei verrichten der Auftriebsbehälter und der Ballastkörper über ein Zugmittel mechanische Arbeit. Das Gasvolumen des Auftriebsbehälters kann an der unteren Andockstation mit Gas aus dem Druckgasspeicher vergrößert werden, so dass zusätzlicher Auftrieb erzeugt wird. Der Auftriebsbehälter mit vergrößertem Gasvolumen schwimmt gemeinsam mit dem Ballastkörper nach oben bis zur oberen Andockstation auf. Kurz vor Erreichen der unteren Andockstation wird der Auftriebsbehälter mit dem Ballastkörper abgebremst. Die Bewegungsenergie des sinkenden Auftriebsbehälters und Ballastkörpers aus diesem Bremsvorgang wird über den Bremskolben im Bremszylinder während der Abbremsphase derart eingespeist, dass der Druck im Druckgasspeicher erhöht wird. Die Bewegungs- oder auch Bremsenergie kann auch extern gespeichert und indirekt zur Erhöhung des Systemdruckes genutzt werden. Der Systemdruck ist hier der erfindungsgemäß notwendige Gasdruck im Gasdruckspeicher.
Der Ballastkörper ist zum Auftriebsbehälter korrespondierend gestaltet, so dass der Ballastkörper wenigstens zum Teil, bevorzugt größtenteils, in das Innere des Auftriebsbehälters passt. Dabei kann der Ballastkörper zumindest einen Großteil des Gases und im Idealfall vollständig aus dem Inneren des Auftriebsbehälters verdrängen.
Eine gasaustauschbare Verbindung ist eine Verbindung zwischen zwei Körpern, die derart gestaltet ist, dass das Gas zwischen diesen hin und her strömen kann. Eine gasaustauschbare Verbindung kann beispielsweise ein Rohr mit einem Ventil darstellen.
Der Auftriebsbehälter sinkt mit mindestens teilweise aufgenommenem Ballastkörper nach unten. Dabei sind der Auftriebsbehälter und der Ballastkörper derart miteinander verbunden, dass die Kombination aus Ballastkörper und Auftriebsbehälter eine Einheit bildet, welche auf und ab bewegt werden kann. Diese Kombination aus Auftriebsbehälter und Ballastkörper wird entweder in mit Gas befülltem Zustand durch den im Wasser auftretenden Auftrieb nach oben bewegt oder diese Kombination sinkt in unbefülltem Zustand als Ganzes arbeitverrichtend nach unten. Der Ballastkörper und der Auftriebsbehälter sollen also gemeinsam vertikal beweglich sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Druckgasspeicher als Druckluftspeicher ausgeführt. Luft als Gas zu verwenden, welches im System vorhanden ist hat den Vorteil, dass es einfach zu beschaffen und in beliebiger Menge kostenfrei vorhanden ist.
Vorteilhafterweise ist der Ballastkörper teleskopartig vom Auftriebsbehälter aufnehmbar. Dabei kann der Auftriebsbehälter an der unteren Andockstation also mit Hilfe des Gases aus dem Druckgasspeicher teleskopartig vom Ballastkörper heraus geschoben werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird auch die Aufschwimmbewegung der Kombination aus dem Auftriebsbehälter und dem Ballastkörper mittels des Zugmittels und eines Generators zur Energiegewinnung genutzt. Dabei ist der Auftrieb der Kombination aus dem Auftriebsbehälter und dem Ballastkörper so groß, dass neben der Arbeit zum Heben des Auftriebsbehälters und des Ballastkörpers zusätzliche Auftriebsenergie zur Verfügung steht, welche mittels eines Zugmittels genutzt werden kann, um einen Generator anzutreiben. Des Weiteren kann der Abbremsvorgang kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes mittels Bremskolben und -zylindern gespeichert und verwertet werden. Die Bremsenergie kann am oberen Totpunkt also analog zum unteren Totpunkt genutzt werden. Vorteilhafterweise nutzt man hier ein externes Gassystem zur Drucklufterzeugung. Der Druckgasspeicher kann bevorzugt als Rohr- und Stützsystem ausgestaltet sein, an dem der Auftriebsbehälter sowie der Ballastkörper mittels Arretierungselementen befestigt werden kann. Die Auf- und Abwärtsbewegung des Auftriebsbehälters und des Ballastkörpers kann dann vorteilhaft entlang dieses Rohr- und Stützsystems erfolgen.
Der Gasdruckspeicher, die Bremskolben, die Bremszylinder und der Generator des Auftriebskraftwerks sind in einer weiteren Ausgestaltung auf oder an einem bewegbaren, schwimmenden Körper angeordnet. An diesem bewegbaren, schwimmenden Körper können auch der Auftriebsbehälter, der Ballastkörper und das Zugmittel befestigt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung können zwei oder mehrere, bevorzugt paarweise, Auftriebskraftwerke zu einer Anordnung zur Energiegewinnung derart kombiniert werden, dass die Auftriebskraftwerke alternierend arbeiten und das Zugmittel für beide Auftriebskraftwerke gleichzeitig nutzen. Die gemeinsame Nutzung des Zugmittels erspart aufwändiges Auf- und Abrollen des Zugmittels. Des Weiteren ermöglicht diese Art der Ausführung ein Unterstützen der Aufwärtsbewegung des Auftriebsbehälters des einen Auftriebskraftwerks durch die Abwärtsbewegung des Auftriebsbehälters mit wenigstens teilweise aufgenommenem Ballastkörper des anderen Auftriebskraftwerks.
Vorteilhaft ist die Nutzung eines Generators im Auftriebskraftwerk, um die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die erfindungsgemäße Vorrichtung und umfasst folgende Schritte. Der Auftriebsbehälter mit wenigstens teilweise aufgenommenem Ballastkörper und verringertem Gasvolumen fällt vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt und bewegt das Zugmittel derart, dass der Generator angetrieben wird. Ein Totpunkt des Auftriebskraftwerks ist im Sinne der Erfindung ein Umlenkpunkt des Auftriebsbehälters, also eine Position des Auftriebsbehälters, an dem dieser seine Bewegungsrichtung ändert. An dieser Position sind bevorzugt die Andockstationen ausgeführt. Der Auftriebsbehälter mit wenigstens teilweise aufgenommenem Ballastkörper und verringertem Gasvolumen wird am unteren Totpunkt bis zum Stillstand abgebremst. Dabei fahren die Bremskolben in die Bremszylinder ein und erhöhen den Systemdruck. Der Ballastkörper wird wenigstens in vertikaler Richtung fixiert. Der Auftriebsbehälter wird dann gasaustauschend mit dem Druckgasspeicher verbunden. Das Gas aus dem Druckgasspeicher strömt in den Auftriebsbehälter und bewegt den Auftriebsbehälter derart vom Ballastkörper weg, dass sich das Gasvolumen des Auftriebsbehälters vergrößert. Die gasaustauschende Verbindung zwischen Auftriebsbehälter und Druckgasspeicher wird daraufhin geschlossen. Die Kombination aus Auftriebsbehälter und Ballastkörper mit vergrößertem Gasvolumen bewegt sich aufgrund des erhöhten Auftriebs nach oben zum oberen Totpunkt. Die Bremskolben fahren aus den Bremszylindern aus und die Kombination aus Auftriebsbehälter und Ballastkörper wird abgebremst und kommt am oberen Totpunkt zum Stillstand. Der Auftriebsbehälter wird bevorzugt wenigstens in vertikaler Richtung fixiert und gasaustauschend mit dem Druckgasspeicher verbunden. Der Ballastkörper, der in vertikaler Richtung beweglich ist, fällt aufgrund seiner Schwerkraft nach unten in den Auftriebsbehälter. Das dadurch verdrängte Gas strömt aus dem Auftriebsbehälter durch die gasaustauschende Verbindung in den Druckgasspeicher. Dadurch wird der Druck im Druckgasspeicher erhöht. Die gasaustauschende Verbindung zwischen Auftriebsbehälter und Druckgasspeicher wird daraufhin geschlossen. Nun kann das Verfahren erneut mit dem Absinken des Auftriebsbehälter mit wenigstens teilweise aufgenommenem Ballastkörper und verringertem Gasvolumen beginnen.
Das Verfahren nutzt einen Höhenunterschied zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt oder auch Umlenkpunkt. Zwischen beiden Totpunkten ist der Auftriebsbehälter gemeinsam mit dem Ballastkörper des Auftriebskraftwerks innerhalb einer Flüssigkeit beweglich. Das Auftriebskraftwerk ist dementsprechend besonders für eine Ausführung in tiefen Gewässern wie Meeren oder Seen geeignet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Verfahren unter der Verwendung von Luft als Gas ausgeführt. Der Druckgasspeicher ist dann also als Druckluftspeicher realisiert.
Konzeptionsgemäß wird durch das Absinken eines schweren Körpers im Wasser dessen Fallenergie genutzt und in elektrische Energie umgewandelt werden.
Wenn der Ballastkörper bei eingefahrenem Auftriebsbehälter und geschlossenen Ventilen an der oberen Andockstation entriegelt wird, beginnt der Sinkvorgang in die Tiefe. An den Stützen, welche auch als Luftdruckspeicher und als Führungen für den Ballastkörper fungieren können, soll der Ballastkörper geordnet in die Tiefe gleiten. Mittels des am Ballastkörper angebrachten Seils und den entsprechenden Umlaufrollen wird eine Drehbewegung erzeugt, die mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Generator befindet sich bevorzugt über Wasser. Um ein unkontrolliertes Auftreffen des Auftriebsbehälters mit dem Ballastkörper an der unteren Andockstation zu verhindern, werden vorher die Brems- und Komprimierzylinder aktiv. In der letzten Phase des Absinkens des Auftriebsbehälters und des Ballastkörpers werden diese durch die Bremskolben abgebremst. Die Brems- und Komprimierzylinder führen zum einen den Ballastkörper langsam an die untere Andockstation heran und zum anderen stellen sie den benötigten Systemdruck wieder her beziehungsweise bauen sie diesen wieder auf. In dem Moment, in dem der Ballastkörper die Position der unteren Andockstation erreicht hat, werden die Arretierungselemente des Ballastkörpers aktiviert. Nun können die Ventile an der unteren Andockstation und am Ballastkörper geöffnet werden. Der höhere Systemdruck überwindet den an der unteren Andockstation vorherrschenden Wassergegendruck in der jeweiligen Tiefe und füllt den sich hinausschiebenden Teleskopauftriebsbehälter am Ballastkörper. Die bevorzugte Richtung ist das Aufschieben nach unten, da die Schwerkraft, welche am Auftriebsbehälter angreift, die Bewegung unterstützen kann. Ist das zusätzliche Gasvolumen des Auftriebsbehälter ausgefahren und gefüllt, werden die Ventile an der unteren Andockstation geschlossen und die Arretierungselemente des Ballastkörpers entriegelt. Der Ballastkörper in Verbindung mit dem Auftriebsbehälter kann nun aufsteigen. Durch eventuell höheren Auftrieb kann die zusätzliche Auftriebsenergie zusätzlich zur Energiegewinnung genutzt werden.
Nach Erreichen der oberen Andockstation über gleichartige Bremsmechanismen wie an der unteren Andockstation, werden nun die Arretierungselemente des Teleskopauftriebsbehälters aktiviert. Die nun zu öffnenden Ventile an der oberen Andockstation und dem Ballastkörper bewirken durch die Last des Ballastkörpers und das gesteuerte Öffnen der Brems- und Komprimierzylinder eine vollständige Entleerung des Teleskopauftriebsbehälters. Der Ballastkörper verdrängt aufgrund seiner Gewichtskraft die Luft aus dem Auftriebsbehälter. Werden nun die Ventile am Ballastkörper und der oberen Andockstation geschlossen, kann der nächste Sinkvorgang beginnen.
Bei dieser Art des Auftriebskraftwerks wird ein Energieeinsatz benötigt, um den Systemdruck zum ersten Mal herzustellen. Im Betrieb muss ein eventueller Systemdruckabfall ausgeglichen werden, bevorzugt unter Nutzung der vom Auftriebskraftwerk erzeugten Energie.
Je weiter der Weg zwischen der oberen und der unteren Andockstation ist, desto effizienter ist das Auftriebskraftwerk. Allerdings erfordert der höhere Wassergegendruck einen höheren Systemdruck. Ein eventuell entstehender Systemdruckabfall kann durch einen Teil der erzeugten Energie kostengünstig ausgeglichen werden. Dafür sind gegebenenfalls zusätzliche Kompressoren notwendig, welche auch über die Zugmittel angetrieben werden können.
Durch ein Aneinanderreihen mehrerer Auftriebskraftwerke kann eine geglättete Stromerzeugung erreicht werden. Die Zeiten hoher Stromerzeugung während des Absinkvorgangs und den dazwischenliegenden Pausen, können durch ein paralleles Betreiben mehrerer Auftriebskraftwerke, welche zeitlich versetzt arbeiten, wenigstens zum Teil ausgeglichen werden.
Es ist prinzipiell natürlich möglich, ein erfindungsgemäßes Auftriebskraftwerk an Land aufzubauen und einen mit Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit gefüllten Zylinder zu nutzen. Dieser Zylinder muss ein entsprechendes Außenmaß in Hoch- oder Tiefbauweise erfüllen. Die Einsatzmöglichkeiten sind somit nicht auf natürliche Gewässer beschränkt sondern umfassen auch andere Konstellationen mit den dargelegten Randbedingungen.
Eine Twin-Anlage, die zwei Auftriebskraftwerke kombiniert, ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, da ein ständiges Auf- und Abspulen der Seil- oder Schlauchleitung nicht erforderlich ist. Dabei bewegen sich der Ballastkörper und der Auftriebsbehälter in einer der Anlagen nach oben, während diese sich in der anderen Anlage nach unten bewegen. Aufgrund des Gewichtsausgleichs ist außerdem mit einer Steigerung der Effizienz zu rechnen.
Eine schwimmende Variante betrifft ein Auftriebskraftwerk, welches beispielsweise in einem Schiff integriert ist und stellt eine besonders kostengünstige Ausführungsform dar. Die Verankerung im Meeresboden entfällt bei der schwimmenden Variante. Auch sind geringere Eingriffe und somit Schäden für die Umwelt zu erwarten. Ein weiterer Vorteil ist, dass alle Reparatur- und Wartungsarbeiten über Wasser ausgeführt werden können, also keine Taucher oder ähnliches notwendig sind. Auch eine Generalüberholung der gesamten Anlage kann im Trockendock durchgeführt werden.
Aufgrund der Mobilität der schwimmenden Variante ist eine kurzfristige und leistungsfähige Ersatzstromversorgung in schwer zugänglichen Katastrophengebieten möglich.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Auftriebskraftwerk mit Auftriebs- und Ballastkörper am unteren Totpunkt
2: Auftriebskraftwerk mit Auftriebs- und Ballastkörper am oberen Totpunkt
3: Auftriebskraftwerk integriert in ein auf dem Meer schwimmenden Schiff
In 1 ist ein Auftriebskraftwerk 1 dargestellt, welches den Auftriebsbehälter 2 mit dem Ballastkörper 3 am unteren Totpunkt zeigt. Am unteren Totpunkt ist der Auftriebsbehälter 2 an der unteren Andockstation 6 mit Ventil angedockt. Im Rohr- und Stützsystem 4 ist Druckluft enthalten, welche genutzt wird, um den Auftriebsbehälter 2 gegen den Wasserdruck nach unten zu schieben. Der Druckgasspeicher 4 ist als Rohr- und Stützsystem 4 ausgeführt. Bei geöffnetem Ventil der unteren Andockstation 6 strömt die Luft in den Auftriebsbehälter 2 und schiebt diesen nach unten. Das Volumen des Auftriebsbehälters 2 wird dadurch um das zusätzliche Gasvolumen vergrößert, wodurch die Auftriebskräfte erhöht werden. Dabei sind die erste und die zweite Arretiervorrichtung 7.1, 7.2 des Ballastkörpers 3 fest mit dem Rohr- und Stützsystem 4 verbunden, so dass der Ballastkörper 3 in vertikaler Position arretiert ist. Die erste und die zweite Arretiervorrichtung 8.1, 8.2 des Auftriebsbehälters 2 sind währenddessen geöffnet und erlauben ein Verschieben des Auftriebsbehälters 2 nach unten. Des Weiteren sind die Brems- und Komprimierkolben 9.1 zu sehen, welche in die Bremszylinder 9.2 eingefahren sind und dadurch den Druck im Rohrsystem 4, dem Druckgasspeicher 4, zusätzlich erhöhen. Die Kombination aus Auftriebsbehälter 2 und Ballastkörper 3 ist an einem Seil 10 befestigt, welches über eine Rolle 11 umgelenkt wird und auf ein Seilumlaufgetriebe 12 geführt wird. Der Generator 13 wird über das Seil 10 und das Seilumlaufgetriebe 12 angetrieben. Der Großteil des Auftriebskraftwerks 1 ist gemäß dargestelltem Ausführungsbeispiel unterhalb der Wasseroberfläche 14 angeordnet.
2 zeigt das Auftriebskraftwerk 1 aus 1, wobei sich hier der Auftriebsbehälter 2 mit dem Ballastkörper 3 am oberen Totpunkt befindet. Die Kombination aus Auftriebsbehälter 2 und Ballastkörper 3 ist an der oberen Andockstation 5 mit Ventil angedockt. In dieser Position ist der Auftriebsbehälter 2 mittels der ersten und der zweiten Arretiervorrichtung 8.1, 8.2 am Rohr- und Stützsystem 4 befestigt, während die erste und die zweite Arretiervorrichtung 7.1, 7.2 des Ballastkörpers 3 gelöst wird, um ein Absinken des Ballastkörpers 3 in den Auftriebsbehälter 2 aufgrund seiner Schwerkraft zu ermöglichen. Dabei ist das Ventil der oberen Andockstation 5 geöffnet, so dass die verdrängte Luft in das Rohr- und Stützsystem 4 entweichen kann und dort wieder einen erhöhten Druck aufbaut. In dieser Position sind die Bremskolben 9.1 aus den Bremszylindern 9.2 ausgefahren. Das Seil 10 ist an der Kombination aus Ballastkörper 3 und Auftriebsbehälter 2 befestigt und wird über Rollen 11 auf ein Seilumlaufgetriebe 12 umgelenkt. Das Seilumlaufgetriebe 12 treibt den Generator 13 an.
3 zeigt eine schwimmende Ausführung eines Auftriebskraftwerks 1, welches in ein Schiff 15 integriert ist. Diese Variante kann in vorteilhafter Weise als mobile Einheit flexibel eingesetzt werden. Ballastkörper 3 und Auftriebsbehälter 2 sind hier teleskopartig ausgeführt. Die Zuführung der Luft aus dem Druckluftspeicher 4 in den Auftriebsbehälter 2 erfolgt über einen Schlauch 10.1, der über eine Rolle 11 umgelenkt und innerhalb einer Schlauchtrommel 17 aufgerollt wird. Die Schlauchtrommel 17 ist über ein Rohr 18 mit dem Druckluftspeicher 4 verbunden, so dass die Druckluft über das Rohr 18 und den Schlauch 10.1 in den Auftriebsbehälter 2 gelangt. Des Weiteren ist der Ballastkörper mit einem Antriebsseil 10.3 zum Antrieb eines Wandlergetriebes 16 verbunden. Dieses Antriebsseil 10.3 läuft über Umlaufrollen 11 und wird durch das Sinken oder Steigen des Ballastkörpers 3 angetrieben. Das Antriebsseil 10.3 wird so über die Schlauchtrommel 17 geführt, dass die Bewegung des Antriebsseils 10.3 auf das Wandlergetriebe 16 übertragen wird und das Wandlergetriebe 16 dann den Generator 13 antreibt. Zur Stabilisierung und Führung, besonders beim Steigvorgang, wird die Kombination aus Auftriebsbehälter 2 und Ballastkörper 3 entlang der Führungsseile 10.4 geführt. Diese Führungsseile 10.4 sind an dem Schiff 15 befestigt und erhalten aufgrund eines an ihnen befestigten, absenkbaren Ballastgewichtkörpers 19 von hohem Gewicht ihre Stabilität und Straffheit. Dieser Ballastgewichtskörper ist frei hängend ausgestaltet, was einen gleichmäßigen Abstand zum Schiff 15 gewährleistet. Diese Führungsseile 10.4 haben den großen Vorteil, dass dadurch verhindert wird, dass sich die Kombination aus dem Auftriebskörper 2 und dem Ballastkörper 3 aufgrund des vorhandenen Auftriebs auf den Kopf stellt. Die Folge wäre sonst ein unkontrollierter Aufstieg und Probleme beim Entleeren des Auftriebsbehälters am oberen Totpunkt. Der Schlauch 10.1 kann derart konstruiert sein, dass er auch als Zugmittel dienen kann. Die Schlauchtrommel 17 ist so mit einem Wandlergetriebe 16 verbunden, dass die Bewegung des Schlauchs 10.1 direkt übertragen wird. Das Wandlergetriebe 16 treibt den Generator 13 an. Das Sinken und Steigen des Ballastkörpers 3 und des Auftriebsbehälters 2 unterhalb der Wasseroberfläche 14 wird genutzt, um den Generator 13 anzutreiben. Zum Abbremsen des Ballastkörpers 3 und des Auftriebsbehälters 2 nach dem Absinkvorgang sowie nach dem Steigvorgang wirken Bremskolben 9.1 in Verbindung mit Bremszylindern 9.2. Zur Arretierung der Position des Auftriebsbehälters 2 zum Entleeren am oberen Totpunkt werden eine erste und eine zweite Arretiervorrichtung 8.1, 8.2 genutzt. Zum Entleeren des Auftriebsbehälters 2 sinkt der Ballastkörper 3 nach unten. Das bewirkt, dass das im Auftriebsbehälter vorhandene Gas in den Druckluftspeicher 4 geleitet wird und sich der Systemdruck erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Auftriebskraftwerk
2: Auftriebsbehälter
3: Ballastkörper
4: Druckgasspeicher, Druckluftspeicher, Rohr- und Stützsystem
5: Obere Andockstation mit Ventil
6: Untere Andockstation mit Ventil
7.1: Erste Arretiervorrichtung Ballastkörper
7.2: Zweite Arretiervorrichtung Ballastkörper
8.1: Erste Arretiervorrichtung Auftriebsbehälter
8.2: Zweite Arretiervorrichtung Auftriebsbehälter
9.1: Bremskolben, Komprimierkolben
9.2: Bremszylinder, Komprimierzylinder
10: Seil, Zugmittel
10.1: Schlauch
10.3: Antriebsseil
10.4: Führungsseil
11: Rolle
12: Seilumlaufgetriebe
13: Generator
14: Obergrenze der Flüssigkeit, Wasseroberfläche
15: Schiff
16: Wandlergetriebe
17: Schlauchtrommel, Seiltrommel
18: Rohr
19: Ballastgewichtkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202012009007 U1 [0003]
DE 102012015421 A1 [0004]
DE 102014010380 A1 [0005]
DE 102013009842 A1 [0006]

Claims

Auftriebskraftwerk (1), insbesondere zum Einsatz in tiefen Gewässern wie Meeren oder Seen, aufweisend einen Auftriebsbehälter (2) mit einem veränderbaren Gasvolumen, einen Ballastkörper (3) und einen Druckgasspeicher (4) mit Bremszylinder (9.2) und Bremskolben (9.1), wobei der Auftriebsbehälter (2) den Ballastkörper (3) unter Verringerung seines Gasvolumens aufnehmbar ausgestaltet ist und wobei das Gasvolumen des Auftriebsbehälters (2) mit dem Druckgasspeicher (4) gasaustauschbar verbindbar ist und dass der Auftriebsbehälter (2) mit mindestens teilweise aufgenommenem Ballastkörper (3) bei verringertem Gasvolumen in der Flüssigkeit von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt sinkend und dabei über ein Zugmittel (10) mechanische Arbeit verrichtend ausgebildet ist, wobei das Gasvolumen des Auftriebsbehälters (2) am unteren Totpunkt mit Gas aus dem Druckgasspeicher (4) vergrößerbar und Auftrieb erzeugend ausgebildet ist, wobei der Auftriebsbehälter (2) mit vergrößertem Gasvolumen gemeinsam mit dem Ballastkörper (3) nach oben aufschwimmend bis zum oberen Totpunkt ausgebildet ist und dass am unteren Totpunkt ein Teil der Bewegungsenergie des sinkenden Auftriebsbehälters (2) und Ballastkörpers (3) über den Bremskolben (9.1) im Bremszylinder (9.2) Druck erhöhend in den Druckgasspeicher (4) einspeisbar ausgebildet ist.
Auftriebskraftwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Gas Luft ist.
Auftriebskraftwerk (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballastkörper (3) teleskopartig vom Auftriebsbehälter (2) aufnehmbar ausgebildet ist.
Auftriebskraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Aufschwimmbewegung der Kombination aus dem Auftriebsbehälter (2) und dem Ballastkörper (3) mittels des Zugmittels (10) und eines Generators (13) zur Energiegewinnung genutzt wird.
Auftriebskraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasspeicher (4) als Rohr- und Stützsystem ausgestaltet ist, an dem der Auftriebsbehälter (2) und der Ballastkörper (3) mittels Arretierungselementen (7.1, 7.2, 8.1, 8.2) befestigbar ausgebildet sind.
Auftriebskraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasspeicher (4), die Bremskolben (9.1), die Bremszylinder (9.2) und der Generator (13) auf oder an einem bewegbaren, schwimmenden Körper angeordnet sind, an welchem auch der Auftriebsbehälter (2), der Ballastkörper (3) und das Zugmittel (10) befestigbar angeordnet sind.
Anordnung aus zwei Auftriebskraftwerken (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskraftwerke (1) alternierend arbeiten und das Zugmittel (10) für beide Auftriebskraftwerke (1) gleichzeitig genutzt wird.
Auftriebskraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator (13) im Auftriebskraftwerk (1) zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie vorgesehen ist.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei: – Der Auftriebsbehälter (2) mit wenigstens teilweise aufgenommenem Ballastkörper (3) und verringertem Gasvolumen fällt vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt und bewegt das Zugmittel (10) derart, dass der Generator (13) angetrieben wird, – Der Auftriebsbehälter (2) mit wenigstens teilweise aufgenommenem Ballastkörper (3) und verringertem Gasvolumen wird am unteren Totpunkt bis zum Stillstand abgebremst, wobei die Bremskolben (9.1) in die Bremszylinder (9.2) einfahren und den Systemdruck erhöhen, – Der Auftriebsbehälter (2) wird gasaustauschend mit dem Druckgasspeicher (4) verbunden, – Das Gas aus dem Druckgasspeicher (4) strömt in den Auftriebsbehälter (2) und bewegt den Auftriebsbehälter (2) derart vom Ballastkörper (3) weg, dass sich das Gasvolumen des Auftriebsbehälters vergrößert, – Die gasaustauschende Verbindung zwischen Auftriebsbehälter (2) und Druckgasspeicher (4) wird geschlossen, – Die Kombination aus Auftriebsbehälter (2) und Ballastkörper (3) mit vergrößertem Gasvolumen bewegt sich nach oben zum oberen Totpunkt, – Die Bremskolben (9.1) fahren aus den Bremszylindern (9.2) aus, – Die Kombination aus Auftriebsbehälter (2) und Ballastkörper (3) wird abgebremst und kommt am oberen Totpunkt zum Stillstand, – Der Auftriebsbehälter (2) wird gasaustauschend mit dem Druckgasspeicher (4) verbunden. – Der Ballastkörper (3) fällt aufgrund seiner Schwerkraft nach unten in den Auftriebsbehälter (2) und verdrängt dabei mindestens einen Teil des Gasvolumens, – Das verdrängte Gas strömt aus dem Auftriebsbehälter (2) in den Druckgasspeicher (4), – Die gasaustauschende Verbindung zwischen Auftriebsbehälter (2) und Druckgasspeicher (4) wird geschlossen und das Verfahren beginn von vorn.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebsbehälter (2) am oberen Totpunkt und der Ballastkörper (3) am unteren Totpunkt während der Vergrößerung und der Verkleinerung des Gasvolumens in vertikaler Position arretiert werden.