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Die Erfindung betrifft eine energiespeichernde, hydraulische Vorrichtung mit einem Wasserspeicher, der einen Zulauf und einen Ablauf aufweist, wobei Wasser gegen den Widerstand eines Strömungswiderstandes aus dem Wasserspeicher in ein Wasserreservoir abzulaufen vermag und ein Zulauf vorgesehen ist, über den ablaufendes Wasser ersetzendes Wasser dem Wasserspeicher zuführbar ist.
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Eine energiespeichernde, hydraulische Vorrichtung dieser Art ist als Speicherkraftwerk bekannt. Bei derartigen Speicherkraftwerken wird zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie über eine Pumpe Wasser in einen auf einem Berg liegenden Speichersee, der als Wasserreservoir dient, gepumpt. Wird die Energie dann wiederum benötigt, wird das Wasser über Fallrohre einer am Fuß des Berges angeordneten Turbine zugeführt, die die potentielle Energie dann wieder in elektrische Energie umwandelt.
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Speicherkraftwerke können effektiv eine große Menge von Energie speichern. Insbesondere in Verbindung mit der Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, die während der Zeiten geringerer Nachfrage im Kraftwerk automatisch entsteht, sind solche Speicherkraftwerke sinnvoll. Sie haben aber den Nachteil, dass sie nur dann einsetzbar sind, wenn ein entsprechendes Höhengefälle genutzt werden kann. Im Flachland kann dies nur dann erfolgen, wenn über hochgelegte Wasserspeicher ein Wasserreservoir angelegt wird. Diese haben nicht nur den Nachteil, dass sie optisch oft nicht akzeptiert werden, sondern auch Kosten für den Aufbau des hochgelegten Wasserspeichers verursachen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine energiespeichernde, hydraulische Vorrichtung zu schaffen, die auf einfache Weise über den Hydraulikdruck eines Wasserspeichers Energie zu speichern vermag, ohne dass oberhalb des Strömungswiderstandes ein Wasserreservoir angelegt werden muss.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass der Wasserspeicher von einem Sogtank gebildet ist, der an seiner Unterseite mit einer Auslauföffnung in ein mit Wasser gefülltes Wasserreservoir derart hineinragt, dass die Auslauföffnung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels im Wasserreservoir und der Sogtank mit Ausnahme des eintauchenden, unteren Bereichs oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist. Der Strömungswiderstand ist dabei im oberhalb des Sogtanks vorgesehenen Wasserzulauf angeordnet und der Wasserzulauf ist derart ausgebildet, dass Wasser ohne angesaugte Luftanteile durch den Strömungswiderstand infolge des vom Ablaufen des Wassers aus der Auslauföffnung gebildeten Unterdrucks im Sogtank von oben in den Sogtank nachgesaugt wird.
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Durch die Erfindung wird nun die Kinematik des Speicherkraftwerkes umgedreht. Dies erlaubt es, die Energie zu speichern und nachfolgend zu nutzen, ohne dass oberhalb des Wasserspeichers eine große Menge an Wasser bereitgestellt werden muss. Die treibende Energie wird nun vom Sogtank, der als Wasserspeicher eingesetzt wird, bereitgestellt.
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Erfindungsgemäß wird also ein Wasserreservoir verwendet, in dem dauerhaft Wasser gespeichert ist. Dieses Wasserreservoir kann ein künstliches Becken, ein See oder Teich oder gegebenenfalls auch das Grundwasser sein. Letztlich hängt dies vom Einsatzzweck der Vorrichtung ab. Der Sogtank weist eine untere Auslauföffnung auf, über die Wasser aus dem Sogtank auslaufen kann.
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Damit sich der Unterdruck im Sogtank aufbauen kann, darf durch die Auslauföffnung keine Luft in den Sogtank eindringen. Hierzu ragt der Sogtank mit seinem unteren Rand in das Wasserreservoir hinein und beim Betreiben der Vorrichtung wird sichergestellt, dass der Wasserstand des Wasserreservoirs nicht so weit absinkt, dass sich dieser Zustand ändern kann. Dies ist natürlich besonders einfach, wenn als Wasserreservoir eine natürliche Wasserstelle, die beispielsweise ein See oder das Grundwasser genutzt werden kann, dessen Wasserstand weitgehend konstant ist.
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Gegebenenfalls kann auf einen sinkenden Wasserstand im Wasserreservoir dadurch reagiert werden, dass der Sogtank und die mit ihm verbundenen Teile der Vorrichtung in der Höhe verstellbar ausgebildet sind. Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann auch ein schwimmender Sogtank sein, der auf einem ponton-artigen Schwimmelement angeordnet ist und mit seinem unteren Rand, der die Auslauföffnung begrenzt, in das Wasser des Wasserreservoirs hineinragt. In diesem Fall ist, solange genug Wasser im Wasserreservoir ist, immer sichergestellt, dass der Sogtank keine Luft ziehen kann.
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Erfindungsgemäß kann der Wasserspiegel des Wasserreservoirs aber auch gezielt abgelassen werden, um die Sogwirkung im Sogtank zu erhöhen. Das Absenken des Wasserspiegels kann dabei bevorzugt durch eine Pumpe und/oder durch einen Ablauf im Wasserreservoir erreicht werden.
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Der Sogtank weist bevorzugt ein großes Volumen auf. Beispielsweise kann er ein Fassungsvermögen von über 100l aufweisen, wobei das Fassungsvermögen letztlich von der Anwendung und den räumlichen Gegebenheiten abhängig ist, so dass auch deutlich größere Volumina möglich sind. Auch der Durchmesser des Sogtanks ist weitgehend frei wählbar, er sollte auf jeden Fall aber deutlich größer als der obere Zulauf sein.
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Durch die untere Auslauföffnung wird nun zunächst Flüssigkeit nach unten in das Wasserreservoir auslaufen. Wäre der Sogtank oben vollständig geschlossen, würde sich in Abhängigkeit der Höhe der Flüssigkeitssäule innerhalb des Sogtankes oberhalb des Wasserspiegels ein Unterdruck einstellen. Ähnliches geschieht auch dann, wenn über den Zulauf Wasser von oben in den Sogtank eingesogen werden kann. Hier wird allerdings ein Teil des Unterdrucks durch das eintretende Wasser kompensiert.
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Der in den Sogtank von oben eintretende Wasserstrom kann dann allerdings energetisch genutzt werden, um unterschiedliche Funktionen zu erfüllen. So kann die Vorrichtung verwendet werden, um die gespeicherte Energie zum Filtern von Wasser zu verwenden. In diesem Fall wird zum Beispiel als Strömungswiderstand ein Wasserfilter eingesetzt. Dieser ist oberhalb des Sogtanks angeordnet, der das Wasser durch den Wasserfilter hindurch saugt.
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Der Wasserfilter kann der Strömungswiderstand selbst sein, alternativ kann auch oberhalb des Strömungswiderstandes ein Zulaufbecken vorgesehen sein, in dem der Wasserfilter angeordnet ist. Ein solcher Wasserfilter kann in einem einfachen Fall zum Beispiel auch von einer Quarzsandschicht gebildet sein. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung ist zum Beispiel im Zulaufbecken unten eine Sicherung vorgesehen, die verhindert, dass der Quarzsand den darunterliegenden Strömungswiderstand verstopft oder in den Sogtank hineingerät. Diese Sicherung kann zum Beispiel von einer Filterlage aus geeignetem Material, zum Beispiel einer Gewebeschicht, gebildet sein.
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Ist der Strömungswiderstand der Quarzsandschicht groß genug, kann auf einen zusätzlichen Strömungswiderstand unterhalb des Zulaufbeckens auch verzichtet werden. Andererseits können Quarzsandschicht und gesonderter Strömungswiderstand auch als doppelte Filtervorrichtung oder Kombination einer Filtervorrichtung mit weiteren Funktionen genutzt werden. So kann zum Beispiel als Strömungswiderstand auch eine Turbine eingesetzt werden, die alleine oder in Verbindung mit einer filternden Quarzsandschicht verwendet werden kann.
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Eine Turbine wird wiederum genutzt, um den Energiespeicher zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen. Dies kommt den eingangs genannten Speicherkraftwerken in der Funktion nahe. Dabei kann die Turbine entweder zur reinen Stromerzeugung genutzt werden, so dass die Energie anderweitig Verwendung findet, oder die Energie kann zum Betreiben einer Rückführpumpe genutzt werden, die die gespeicherte Energie nutzt, um Wasser aus dem Wasserreservoir wieder in den Wasserzulauf zurückzuführen.
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Die von der Turbine erzeugte elektrische Energie kann in einem Zwischenspeicher gespeichert werden, so dass zum Beispiel die Funktion der Pumpe und das Erzeugen der elektrischen Energie zu einander zeitversetzt genutzt werden können. Im Wasserzulauf oder auch in einer von der Rückführpumpe zum Wasserzulauf verlaufenden Rückführleitung können auch Zwischenspeicherbereiche vorgesehen werden, in denen Wassermengen gespeichert werden können, so dass sich eine Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den eingangs genannten Speicherkraftwerken ergeben kann. Dies ist im Detail ebenfalls von der Anwendung der Vorrichtung abhängig.
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Ferner können in der Rückführleitung oder im Wasserzulauf auch Regelventile oder Absperrorgane vorgesehen sein. So kann beispielsweise oberhalb oder unterhalb des Strömungswiderstandes ein Absperrventil vorgesehen werden, über das der Zulauf in den Sogtank blockiert werden kann. Auf diese Weise kann die gespeicherte hydrodynamische Energie langfristig gehalten werden, wenn beispielsweise eine Filterwirkung oder die Erzeugung von Strom durch die Turbine temporär nicht benötigt wird.
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Ferner ist es möglich, die Rückführpumpe beispielsweise über Solarzellen zu betreiben, so dass der Energiespeicher in Form des Sogtanks während der Zeiten hoher Sonnenstrahlung mit Energie gefüllt wird, während in den Zeiten der Dunkelheit der Energiespeicher ausschließlich zur Erzeugung von elektrischer Energie über die Turbine verwendet wird. Da der Sogtank auch dann seine Funktion erfüllt, wenn kein Wasser über die Rückführleitung oder eine sonstige Zufuhr zugeführt wird, solange über den Einlass in den Sogtank keine Luft gezogen werden kann, kann die Flüssigkeitsmenge innerhalb des Sogtanks unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckes zum Betreiben der Turbine genutzt werden. Dies kann beispielsweise eine umweltfreundliche Alternative zur Speicherung der heimischen Solarenergie in Batterien sein.
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Eine mögliche, beispielhafte Anwendung der Erfindung wäre im Heimbereich das Befüllen des Drucktanks während des Tages durch die Rückführpumpe und das Abrufen der dadurch gespeicherten Energie zur Beleuchtung des Gartens oder zum Betreiben einer Filterpumpe während der Phase der Dunkelheit. Natürlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für sehr viel größere, auch industrielle Anwendungen genutzt werden, wenn die entsprechenden Komponenten größer gestaltet werden.
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Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Nutzen auch dann verwendet werden, wenn keine Rückführleitung vorgesehen werden muss. So kann beispielsweise der Wasserzulauf anstelle der Rückführleitung von einer natürlichen Wasserquelle gespeist werden. Dies ist natürlich insbesondere in bergigen Gegenden möglich, bei denen das natürliche Gefälle eines Bachlaufs genutzt werden kann.
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Aber auch in Verbindung mit Gebäuden kann zum Beispiel Regenwasser im Bereich der obersten Etage gesammelt werden und über ein Fallrohr der gebäudenahe installierten Vorrichtung zugeführt werden. In diesem Fall wird das zugeführte Wasser ebenfalls durch den Sogtank hindurchtreten und in das Wasserreservoir eintreten. Dort kann es dann über einen Überlauf wieder abfließen, wenn auf die weitere Verwendung verzichtet werden kann.
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Bei einer Heimanwendung kann das Wasserreservoir auch als Frischwasserspeicher genutzt werden. So weisen viele Gärten heutzutage unterirdische Wasserspeicher auf, über die die Gärten bewässert werden. Hier kann zum Beispiel oberhalb dieses Wasserspeichers der Sogtank, möglicherweise auch noch unterirdisch, angeordnet werden, der dann möglicherweise zum Beispiel von der Regenrinne mit Wasser beschickt wird. Über die oben beschriebene Turbine kann dann ein elektrischer Speicher in Form eines Akkus aufgeladen werden, der später benutzt werden kann, um über die Pumpe das Regenwasser der Gartenbewässerung zur Verfügung zu stellen. Sofern zu viel Wasser durch die Regenrohre zur Verfügung gestellt wird, kann dies entweder schon im Bereich des Wasserzulaufs oder im Bereich des Wasserreservoirs über einen geeigneten Überlauf bzw. Ablauf in die Kanalisation oder in das Grundwasser fließen.
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Diese Technik hat den Vorteil, dass die Turbine oberhalb des Sogtanks angeordnet ist, wobei dann nur die wartungsanfällige Turbine oberhalb des Erdniveaus angeordnet werden muss, während alle anderen Teile im Erdboden versenkt werden können. Gleiches gilt natürlich für den Filter eines Gartenteichs.
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Der Sogtank und das Wasserreservoir können aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere Metall, Kunststoff oder auch Beton, gefertigt sein. Dabei muss der Sogtank so ausgebildet sein, dass er durch die auftretenden Drücke nicht deformiert wird. Dies kann sowohl über die Materialwahl, die Wandstärke als auch über die Formgebung erfolgen. Auch das Versenken im Erdboden kann zur Formstabilität beitragen. Das Wasserreservoir kann auch ein ohnehin bereits vorhandenes Reservoir, wie beispielsweise ein Schwimmbecken, sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
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In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine erste Ausgestaltung der Erfindung und
- 2 eine Abwandlung der ersten Ausgestaltung der Erfindung.
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In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung von Energie dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Sogtank 3 auf, der weitgehend vollständig mit Wasser gefüllt ist. Im unteren Bereich ragt der Sogtank 3 in ein Wasserreservoir 1 hinein. Dies ist hier vereinfacht als rechteckiges Wasserbecken dargestellt, wobei dies lediglich eine schematische Ansicht ist. Gleiches gilt für die übrigen Bauteile der dargestellten Vorrichtung und deren Größenverhältnisse.
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Der Sogtank 3 ist glockenartig ausgebildet und weist hier keinen Boden auf. Dieser offene Bodenbereich bildet die Auslauföffnung des Sogtanks. Damit dieser von unten keine Luft ziehen kann, ragt die Auslauföffnung so weit in das Wasserreservoir 1 hinein, dass der untere Randbereich des Sogtanks vollständig in das Wasser eintaucht. Auf der linken Seite ist im Wasserreservoir 1 eine Rückführpumpe 4 vorgesehen, die Wasser aus dem Wasserreservoir 1 über eine Rückführleitung 2 einem Wasserzulauf 5 zugeführt.
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Der Wasserzulauf 5 ist oberhalb des Sogtanks 3 angeordnet. Er besteht hier aus einem Zulaufbecken, in das die Rückführleitung 2 mündet. Im Zulaufbecken ist hier eine Quarzsandschicht als Filter vorgesehen. Damit der Quarzsand nicht aus dem Zulaufbecken nach unten herausfließen kann, ist unterhalb des Quarzsandes eine Filterschicht 8 vorgesehen. Im Zulaufbecken befindet sich so viel Wasser als Zulaufwasser 7, das über das Zulaufbecken keine Luft angesogen werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird zur Sicherstellung dieses Wasserstandes über die Rückführpumpe 4 das unten aus der Auslassöffnung des Sogtanks 3 herauslaufende Wasser in gleicher Menge wieder in das Zulaufbecken gepumpt, so dass sich ein Kreislauf des Wassers ergibt.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Schwimmer oder eine sonstige Regelungstechnik eingesetzt werden, so dass über ein Absperrorgan bei zu weit im Zulauf sinkendem Wasserstand der Zulauf in den Sogtank gesperrt werden kann. Vorteilhaft geschieht dies automatisch und optional mit entsprechender Signalfunktion. Diese Regelungstechnik kann auch die Rückführpumpe steuern.
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Unterhalb des Zulaufbeckens ist ein Strömungswiderstand 6 vorgesehen, der hier als Blackbox eingezeichnet ist. Dieser Strömungswiderstand kann je nach Verwendung der Vorrichtung funktional völlig unterschiedlich ausgestaltet sein. So kann dies zum Beispiel ein Filter sein, der Wasser, sei es Trinkwasser oder auch Teichwasser, filtert. So kann eine entsprechende Ausgestaltung der Vorrichtung auch als Trinkwasseraufbereitungsanlage verwendet werden. Hier wird über den Quarzsand eine erste Vorfilterung vorgenommen, während der als Filter ausgebildete Strömungswiderstand 6 dann die endgültige Filterung vornehmen kann.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung kann auch eine Turbine 9 zur Energieerzeugung als Strömungswiderstand 6 vorgesehen werden, so dass die im Sogtank gespeicherte Energie zurückgewonnen und in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Eine solche Ausgestaltung ist in 2 dargestellt.
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Die in 2 oberhalb des Sogtanks 3 dargestellte Turbine 9 erzeugt durch den Unterdruck im Sogtank 3 Energie, da das Wasser aus dem Zulaufbecken durch die Turbine 9 hindurchgesaugt wird. Die Turbine 9 ist dabei so ausgestaltet, dass sie einerseits die Energie erzeugt, andererseits aber auch den notwendigen Strömungswiderstand gewährleistet, so dass das System stabil zu laufen vermag, ohne dass der Sogtank zu schnell entleert wird.
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Ein Speicher für elektrische Energie in Form eines Akkus 10 kann die elektrische Energie, die von der Turbine 9 erzeugt wird, zwischenspeichern. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird diese elektrische Energie dann genutzt, um die Rückführpumpe 4 zu betreiben.
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Letztlich handelt es sich bei den dargestellten Beispielen ausschließlich um schematische Beispiele möglicher Anwendungen der Erfindung. Die Erfindung kann allerdings vielseitig verwendet werden, je nach Zulauf bzw. Ablauf, insbesondere bei natürlichem Wasserzulauf, der dann eine Rückführung mit Energieaufnahme entbehrlich macht, auch zur Energieerzeugung. Durch die Saugwirkung des Sogtanks kann effektiv der Strömungswiderstand zum Filtern, zur Energieerzeugung oder für andere Zwecke genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserreservoir
- 2
- Rückführleitung
- 3
- Sogtank
- 4
- Rückführpumpe
- 5
- Wasserzulauf
- 6
- Strömungswiderstand
- 7
- Zulaufwasser
- 8
- Filterschicht
- 9
- Turbine
- 10
- Akku
