DE102018007956A1 - Flow amplification system for flow power plants - Google Patents
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Abstract
Mit dem Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke wird eine zweistufige Strömungseinengung zur Strömungsbeschleunigung für den Einsatz von Strömungskraftwerken vorgenommen. In der ersten Stufe wird mit einem horizontal ausgebildeten Strömungstrichter (10, 110), die Strömung horizontal eingeengt. Hierzu werden zwei liegende Hohlkörper (11, 111) eingesetzt, die in der Grundfläche als trapezförmiges Viereck ausgeformt sind. Diese werden, mit der kürzeren Kopfseite gegeneinander liegend in Verbindung gebracht und auf den Grund eines Strömungsgewässers abgesenkt. Hierbei wird durch einen horizontalen Abstand der beiden Kopfseiten ein sich horizontal verengender Strömungstrichter (10, 110), mit einem Eingangstrichter (12, 112) zur Vorderseite, einem Strömungskanal (14, 114) in der Mitte und einem Ausgangstrichter (13, 113) als Diffusortrichter, ausgebildet.In der zweiten Stufe werden eine im vertikalen Querschnitt trapezförmige Deckenschwelle (21, 121) und eine im vertikalen Querschnitt trapezförmige Bodenschwelle (23, 123) in den Strömungskanal (14, 114) des horizontalen Strömungstrichters (10, 110) eingebaut. Dabei wird die bereits mit dem horizontalen Strömungstrichter (10, 110) eingeengte Strömung noch einmal vertikal eingeengt und die Strömung damit weiter beschleunigt.Das Strömungsverstärkungssystem kann schwimmend auf der Wasseroberfläche, schwebend im Strömungsgewässer oder fest auf dem Grund der Strömungsgewässer installiert werden.Während bisher nach dem Stand der Technik bei Strömungskraftwerken die Turbinen nur einfach in die Strömung eingehängt werden und nur die vorhandene Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsgewässers genutzt wird, kann mit dem Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke die vorhandene Strömungsgeschwindigkeit wesentlich gesteigert werden.Infolge der erzielten Strömungsverstärkung können mit dem Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke, gegenüber dem Stand der Technik, entweder kleinere und damit kostengünstigere Turbinen für die gleiche Stromleistung eingesetzt werden, oder bei gleicher Turbinengröße eine höhere Stromleistung erzielt werden. Hieraus ergeben sich Kostenvorteile bei der Turbineninvestition, der Wartung und bei den Reparaturkosten.The flow amplification system for flow power plants provides a two-stage flow restriction for flow acceleration for the use of flow power plants. In the first stage, the flow is narrowed horizontally using a horizontally designed flow funnel (10, 110). For this purpose, two lying hollow bodies (11, 111) are used, which are shaped in the base area as a trapezoidal quadrilateral. These are connected to each other, lying on the shorter side of the head, and lowered to the bottom of a stream. A horizontally narrowing flow funnel (10, 110) with an inlet funnel (12, 112) to the front, a flow channel (14, 114) in the middle and an outlet funnel (13, 113) as a horizontal distance between the two head sides Diffuser funnel, in the second stage, a vertical cross-section trapezoidal ceiling threshold (21, 121) and a vertical cross-section trapezoidal threshold (23, 123) are installed in the flow channel (14, 114) of the horizontal flow funnel (10, 110). The flow, which has already been narrowed down with the horizontal flow funnel (10, 110), is again vertically restricted and the flow is accelerated further According to the state of the art in flow power plants, the turbines are simply hung into the flow and only the existing flow velocity of the flow water is used the prior art, either smaller and therefore cheaper turbines are used for the same power output, or an h with the same turbine size higher power output can be achieved. This results in cost advantages for turbine investment, maintenance and repair costs.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke, mit dem mit Strömungstrichtern die Strömung in Strömungsgewässern punktuell verstärkt wird und das hiermit strömungsbeschleunigte Wasser in einen Strömungskanal für ein Strömungskraftwerk zur Stromerzeugung weitergegeben und anschließend über einen Diffusortrichter wieder abgeführt wird.The present invention relates to a flow amplification system for flow power plants, with which the flow in flow waters is selectively amplified with flow funnels and the flow-accelerated water hereby passed on to a flow channel for a flow power plant for electricity generation and then discharged again via a diffuser funnel.
Klassische Wasserkraftwerke mit Aufstau nutzen die potentielle Energie durch die Fallhöhe vielfach mit Querbauwerken (Staumauern). Dies erfordert den Aufstau von Gewässern mit den damit verbundenen Umweltproblemen der fehlenden Durchgängigkeit in den Flüssen für Flora und Fauna, vor allem für Fische.Classic hydroelectric power plants with backwater often use the potential energy due to the fall height with transverse structures (dam walls). This requires the damming of water with the associated environmental problems of the lack of continuity in the rivers for flora and fauna, especially for fish.
Eine Alternative hierzu sind Strömungskraftwerke, die ohne Staumauern arbeiten. Als Stand der Technik gilt, dass bisher zur Stromgewinnung in Strömungsgewässern einfach Turbinen in die Strömung eingehängt wurden, vielfach mit schwimmenden Vorrichtungen, die am Gewässergrund oder am Flussufer befestigt werden. Das Gemeinsame an den bisher vorhandenen Strömungskraftwerken ist, dass hierbei nur einfach die Turbinen in die Strömung der Gewässer eingehängt oder eingebaut werden und damit nur die hierbei vorhandene Strömungsstärke des Strömungsgewässers genutzt werden kann. Nach dem Stand der Technik ist für diese schwimmenden Strömungskraftwerke zur wirtschaftlichen Stromerzeugung eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 2 m/s erforderlich.Flow power plants that work without dams are an alternative. The state of the art is that until now, turbines were simply hung in the flow to generate electricity in streams, often with floating devices that are attached to the bottom of the body of water or on the river bank. The common feature of the current power plants is that the turbines are simply hung or installed in the flow of the water and only the current strength of the flow water can be used. According to the prior art, a flow velocity of at least 2 m / s is required for these floating flow power plants for the economical generation of electricity.
Als Problem zeigt sich hierbei, dass es nur wenige Flussläufe gibt, bei denen diese erforderliche Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 2 m/s vorhanden ist. Somit kann das gewaltige Potential der kinetische Energie in den Strömungsgewässern, das zum Großteil bei Strömungsgeschwindigkeiten von erheblich unter 2 m/s liegt, nach dem Stand der Technik heute nicht wirtschaftlich genutzt werden.The problem here is that there are only a few rivers where this required flow velocity of at least 2 m / s is available. Thus, the enormous potential of the kinetic energy in the flow waters, which for the most part is at flow speeds of significantly below 2 m / s, cannot be used economically according to the prior art.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Verstärkung der vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit in den Strömungsgewässern zu finden, mit der gegenüber den bisher eingesetzten Strömungskraftwerken, die nur die vorhandene Strömungsgeschwindigkeit zur Stromgewinnung nutzen, infolge einer erzielten Strömungsverstärkung entweder mit kleineren und damit kostengünstigeren Turbinen die gleiche Stromleistung erreicht werden kann, oder bei gleicher Turbinengröße eine höhere Stromleistung möglich ist. Neben der Strömungsverstärkung soll die Vorrichtung die bauliche Grundlage sein, für den Einbau der Geräte und Turbinen für das zu installierende Strömungskraftwerk.The object of the present invention is to find a device for amplifying the existing flow rate in the flow waters, with which compared to the previously used flow power plants, which only use the existing flow rate for power generation, due to a flow amplification achieved either with smaller and thus less expensive turbines same power can be achieved, or higher power is possible with the same turbine size. In addition to the flow amplification, the device should be the structural basis for the installation of the devices and turbines for the flow power plant to be installed.
Die Lösung für das vorgehend aufgezeigte Problem bietet das nachfolgend beschriebene Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke zur Beschleunigung der Gewässerströmung.The solution to the problem outlined above is provided by the flow amplification system for flow power plants described below for accelerating the flow of water.
Für das Strömungsverstärkungssystem wird ein horizontaler Strömungstrichter erstellt. Hierzu werden zwei im horizontalen Querschnitt trapezförmige Hohlkörper liegend eingesetzt, deren Außenwände aus wasserfestem Material bestehen. Die im horizontalen Querschnitt trapezförmigen Hohlkörper werden dann umgelegt und mit der kürzeren Kopfseite gegeneinander liegend, auf den Grund eines Strömungsgewässers abgesenkt und mit stangenförmigen Verbindungselementen miteinander in Verbindung gebracht, wobei durch einen horizontalen Abstand der beiden Kopfseiten der liegenden Hohlkörper ein horizontaler Strömungstrichter ausgebildet wird, der nach oben offen ist, mit einem horizontalen Eingangstrichter zur Vorderseite, einem horizontalen Diffusortrichter zur Rückseite und einem horizontalen Strömungskanal in der Mitte.A horizontal flow funnel is created for the flow enhancement system. Two horizontal trapezoidal hollow bodies are used for this purpose, the outer walls of which are made of waterproof material. The hollow bodies trapezoidal in horizontal cross-section are then folded over and lying with the shorter head side against each other, lowered to the bottom of a stream and connected with rod-shaped connecting elements, whereby a horizontal flow funnel is formed by a horizontal distance between the two head sides of the lying hollow bodies is open at the top, with a horizontal inlet funnel to the front, a horizontal diffuser funnel to the rear and a horizontal flow channel in the middle.
Der Abstand der beiden trapezförmigen Hohlkörper wird von der geplanten Strömungseinengung, von der vorliegenden Strömungsstärke, der Länge der trapezförmigen Hohlkörper und der vorhandenen Gewässertiefe bestimmt. Hierzu sind Simulationsrechnungen hilfreich.The distance between the two trapezoidal hollow bodies is determined by the planned flow restriction, the current flow strength, the length of the trapezoidal hollow bodies and the existing water depth. Simulation calculations are helpful for this.
In dem horizontalen Eingangstrichter wird die ankommende Strömung eingeengt und beschleunigt. Die so beschleunigte Strömung wird weitergeleitet in den horizontalen Strömungskanal, der zur Mitte des horizontalen Strömungstrichters ausgebildet und für den Turbineneinbau vorgesehen ist. Über den rückseitigen horizontalen Diffusortrichter zur Ausgangsseite wird die Strömung wieder verlangsamt und das Strömungswasser aus dem Strömungstrichter in das Strömungsgewässer zurückgeführt.The incoming flow is restricted and accelerated in the horizontal inlet funnel. The flow accelerated in this way is passed on to the horizontal flow channel, which is formed in the middle of the horizontal flow funnel and is intended for turbine installation. The flow is slowed down again via the rear horizontal diffuser funnel to the outlet side and the flow water is returned from the flow funnel into the flow water.
Der horizontale Strömungstrichter ist zur Oberseite offen. Im Unterschied zu Trichtern mit geschlossener Wandung können damit turbulente Wassermassen, die bei der Strömungseinengung entstehen, zur Oberseite abströmen. Damit wird die Verstärkung der Strömungsgeschwindigkeit im horizontalen Strömungstrichter verbessert.The horizontal flow funnel is open to the top. In contrast to funnels with a closed wall, turbulent water masses that arise when the flow is restricted can flow out to the top. This improves the flow velocity gain in the horizontal flow funnel.
Eine weitere Strömungseinengung und eine sich hieraus ergebende zusätzliche Strömungsbeschleunigung erfolgt mit einem im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Hohlkörper als Deckenschwelle, dessen Außenwände aus einem wasserfesten Material bestehen.A further flow restriction and an additional flow acceleration resulting therefrom takes place with a hollow body trapezoidal in vertical cross section as a ceiling threshold, the outer walls of which are made of a waterproof material.
Die im vertikalen Querschnitt trapezförmige Deckenschwelle wird zur Oberseite des horizontalen Strömungstrichters, mit der schmalen Kopfseite nach unten, querverlaufend in die Mitte des horizontalen Strömungskanals eingebaut, wobei sich im Strömungskanal eine zusätzliche vertikale Strömungseinengung mit Strömungsverstärkung ergibt.The ceiling trapezoidal in vertical cross section becomes the top of the horizontal flow funnel, with the narrow side of the head downwards, transversely into the middle of the horizontal flow channel installed, with an additional vertical flow restriction with flow amplification results in the flow channel.
Der Innenraum der im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Deckenschwelle ist zur Montage von Geräten und die Unterseite zur Montage der Turbinen oder anderer Umwandler für ein Strömungskraftwerk bestimmt, wobei die im vertikalen Querschnitt trapezförmige Deckenschwelle mit den Umwandlern und Geräten des Strömungskraftwerkes für Wartungs- und Reparaturarbeiten nach oben herausgehoben und wieder zurückgeführt werden kann.The interior of the ceiling trapezoidal vertical cross section is intended for the assembly of devices and the underside for the installation of turbines or other converters for a flow power plant, the vertical cross section of the trapezoidal ceiling sleeper with the converters and devices of the flow power plant being lifted up for maintenance and repair work and can be returned.
Eine weitere Strömungseinengung und eine sich hieraus ergebende zusätzliche Strömungsbeschleunigung erfolgt mit einem im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Bauteil aus wasserfestem Material, das zur zusätzlichen vertikalen Strömungseinengung als Bodenschwelle, mit der schmalen Kopfseite nach oben und unterhalb der im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Deckenschwelle, querverlaufend in dem horizontalen Strömungskanal auf den Gewässergrund aufgesetzt wird.A further flow restriction and an additional flow acceleration resulting therefrom takes place with a component made of waterproof material with a trapezoidal vertical cross section, which for additional vertical flow restriction as a threshold, with the narrow head side upwards and below the trapezoidal cross section in the vertical cross section, running transversely in the horizontal flow channel is placed on the bottom of the water.
Durch einen Abstand der Kopfseite der im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Bodenschwelle zur Kopfseite der sich darüber befindlichen im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Deckenschwelle, ergibt sich zwischen den beiden Kopfseiten ein vertikaler Strömungskanal und eine zusätzliche vertikale Strömungseinengung mit Strömungsverstärkung.By spacing the top side of the threshold, which is trapezoidal in vertical cross section, from the top of the ceiling threshold, which is trapezoidal in vertical cross section, there is a vertical flow channel and an additional vertical flow restriction with flow amplification between the two head sides.
Der Abstand zwischen der Deckenschwelle und der Bodenschwelle für die vorzunehmende vertikale Strömungseinengung ist projektspezifisch variabel gestaltbar.The distance between the ceiling threshold and the floor threshold for the vertical flow restriction to be carried out can be designed to be project-specific.
Durch zwei balkenförmige Sockelauflagen aus Beton, die in Strömungsrichtung an den beiden Außenseiten zur Unterseite der Bodenschwelle angebracht werden, wird zwischen der Unterseite der Bodenschwelle und dem Gewässergrund ein Durchgängigkeitskanal für Fische und dem Gewässergeschiebe ausgebildet. Mit der Höhe der Sockelauflagen wird die Höhe des Durchgängigkeitskanals bestimmt.Through two beam-shaped concrete plinths, which are attached in the direction of flow on the two outer sides to the underside of the threshold, a passage channel for fish and the bed load is formed between the underside of the threshold and the water bed. The height of the passage channel is determined by the height of the plinth supports.
Die weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für Strömungskraftwerke zur Verstärkung der vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit in den Strömungsgewässern zu finden, die entweder schwimmend auf der Oberfläche der Strömungsgewässer oder schwebend in einer bestimmbaren Gewässertiefe und auch abgesenkt auf den Gewässergrund installiert werden kann. Dabei soll die Vorrichtung auch Lösungen für den Einsatz unterschlächtig arbeitender Umwandler, wie Wasserräder oder Laufbandturbinen aufzeigen. Die Lösung hierzu bietet das nachfolgend beschriebene, schwimmfähige Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke.The further object of the present invention is to find a device for flow power plants for increasing the existing flow velocity in the flowing water, which can either be installed floating on the surface of the flowing water or floating in a determinable water depth and also lowered on the water bed. The device is also intended to show solutions for the use of undercutting converters, such as water wheels or treadmill turbines. The solution to this is provided by the floating flow amplification system for flow power plants described below.
Als Basiskomponenten werden zwei liegende Hohlkörper erstellt, deren Außenwände aus wasserbeständigem Material bestehen, die in der Grundfläche als trapezförmiges Viereck ausgeformt, zur Ober- und Unterseite geschlossen und an wenigstens einer Außenseite mit Beflutungsschlitzen versehen sind. Dadurch werden die Hohlkörper bei der Absenkung in das Strömungsgewässer beflutet und bei der Herausnahme vom aufgenommenen Strömungswasser entleert.The basic components are two horizontal hollow bodies, the outer walls of which are made of water-resistant material, the base of which is shaped as a trapezoidal quadrilateral, closed at the top and bottom and provided with flooding slots on at least one outside. As a result, the hollow bodies are flooded when lowered into the flow water and emptied when the flow water is taken out.
Die Hohlkörper werden mit der kürzeren Kopfseite gegeneinander liegend, auf einer Bodenplatte befestigt, wobei durch einen horizontalen Abstand der beiden Kopfseiten der liegenden Hohlkörper zur Vorderseite ein horizontaler Eingangstrichter und zur Rückseite ein horizontaler Diffusortrichter, sowie ein horizontaler Strömungskanal in der Mitte, ausgebildet werden. Die beiden Hohlkörper werden, zur Schwerpunktverlagerung nach unten, am Boden mit Steinmaterial oder anderem Belastungsmaterial beladen und mit aufblasbaren Luftkörpern mit Ventil zur Regulierung der Schwimmhöhe bestückt. Der Abstand der beiden trapezförmigen Hohlkörper für die vorzunehmende Strömungseinengung und damit die Breite des sich hieraus ergebenden horizontalen Strömungskanals, kann variabel gestaltet werden.The hollow bodies are fastened against each other on a base plate with the shorter head side, whereby a horizontal inlet funnel and a horizontal diffuser funnel and a horizontal flow channel in the middle are formed by a horizontal distance between the two head sides of the lying hollow bodies. To shift the center of gravity downwards, the two hollow bodies are loaded with stone material or other load material on the floor and equipped with inflatable air bodies with a valve for regulating the swimming height. The distance between the two trapezoidal hollow bodies for the flow restriction to be carried out and thus the width of the horizontal flow channel resulting therefrom can be made variable.
Zur Oberseite des schwimmfähigen Strömungstrichters wird eine Deckplatte angebracht, die die gesamte Oberseite abdeckt, wobei die Deckplatte im Falle des Einbaus eines unterschlächtigen Umwandlers, wie eines Wasserrades, oder einer Laufbandturbine, mit einem Ausschnitt im horizontalen Querschnitt des einzubauenden Umwandlers versehen wird, wodurch der obere Teil des Umwandlers ins Freie ragt.A cover plate is attached to the top of the floatable flow funnel, which covers the entire top side, the cover plate being provided with a cutout in the horizontal cross section of the converter to be installed in the case of the installation of an undershot converter, such as a water wheel or a treadmill turbine, whereby the upper one Part of the converter protrudes outdoors.
Damit wird ein schwimmfähiger Strömungstrichter mit horizontaler Strömungseinengung ausgebildet, der nach unten mit einer Bodenplatte und nach oben mit einer Deckplatte versehen ist. In den Strömungskanal des schwimmfähigen Strömungstrichters werden Turbinen oder andere Umwandler und Geräte für ein Strömungskraftwerk eingebaut.This forms a floating flow funnel with horizontal flow restriction, which is provided with a bottom plate at the bottom and a cover plate at the top. Turbines or other converters and devices for a flow power plant are installed in the flow channel of the floatable flow funnel.
Zur weiteren Strömungsverstärkung wird in den Strömungskanal des schwimmfähigen Strömungstrichters ein im vertikalen Querschnitt trapezförmiges Hohlkörperbauteil aus wasserfestem Material, mit der schmalen Kopfseite nach unten, als Deckenschwelle eingebaut.For further flow reinforcement, a hollow body component made of waterproof material with a narrow head side down is installed in the flow channel of the floatable flow funnel as a threshold.
Zusätzlich wird ein im vertikalen Querschnitt trapezförmiges Bauteil aus wasserfestem Material, mit Beflutungsschlitzen an wenigstens einer Außenseite, als Bodenschwelle, mit der schmalen Kopfseite nach oben, querverlaufend in die Mitte des horizontalen Strömungskanals, unter der trapezförmigen Deckenschwelle eingebaut. Durch einen Abstand der Kopfseite der im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Deckenschwelle zur Kopfseite der sich darunter befindlichen im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Bodenschwelle wird zwischen den beiden Kopfseiten eine weitere Strömungsverengung, mit einem vertikalen Strömungskanal in der Mitte, ausgebildet. Der Abstand zwischen den Kopfseiten der Bodenschwelle und der Deckenschwelle ist variabel gestaltbar und wird von der geplanten Strömungseinengung und der vorliegenden Strömungsstärke mitbestimmt.In addition, a component made of waterproof material with a trapezoidal vertical cross-section, with flooding slots on at least one outside, as a threshold, with the narrow one Head side up, running in the middle of the horizontal flow channel, installed under the trapezoidal ceiling sill. By a distance from the head side of the ceiling sill trapezoidal in vertical cross section to the top side of the floor sill trapezoidal in vertical cross section below, a further flow constriction is formed between the two head sides, with a vertical flow channel in the middle. The distance between the head sides of the threshold and the ceiling can be designed variably and is determined by the planned flow restriction and the current flow strength.
Für das Strömungsverstärkungssystem wird zum Einbau von laufbandförmigen Umwandlern zur unteren Seite der im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Deckenschwelle des Strömungstrichters eine quaderförmige Aussparung mit bogenförmigen Rundungen an den schmalen Vorder- und Endseiten ausgebildet, womit beim Einbau von laufbandförmigen Umwandlern deren obere Hälfte von der ankommenden Strömung abgeschirmt wird.For the flow amplification system, for the installation of treadmill-shaped converters to the lower side of the ceiling cross section of the flow funnel, which is trapezoidal in vertical cross-section, a cuboid recess is formed with curved roundings on the narrow front and end sides, so that the upper half is shielded from the incoming flow when installing treadmill-shaped converters .
Beim Einbau von laufbandförmigen Umwandlern ist vorgesehen, dass die im vertikalen Querschnitt trapezförmige Bodenschwelle zur Oberseite horizontal und alternativ für den einseitigen Betrieb, zusätzlich mit einem Aufsatz, der rampenförmig, von der Strömungseingangsseite ausgehend, ausgebildet wird. Mit der rampenförmigen Ausbildung wird ein Teil der Eingangsströmung und sich im Eingangstrichter der vertikalen Strömungsverengung bildende Turbulenzen auf die hinteren Schaufeln der Wasserlaufbandturbine weitergeleitet und damit die Leistung der laufbandförmigen Umwandler verbessert.When installing treadmill-shaped converters, it is provided that the vertical cross-section trapezoidal threshold to the top and, alternatively, for one-sided operation, additionally with an attachment that is ramp-shaped, starting from the flow inlet side. With the ramp-shaped configuration, part of the input flow and turbulence forming in the inlet funnel of the vertical flow constriction is passed on to the rear blades of the water treadmill turbine and thus the performance of the treadmill converter is improved.
Der schwimmfähige Strömungstrichter kann für den Einsatz von Umwandlern, wie Wasserräder oder Laufbandturbinen, auch schwimmend auf der Gewässeroberfläche installiert werden, wobei durch Veränderung der Luftmenge in den Luftkörpern der im horizontalen Querschnitt trapezförmigen Hohlkörper die Eintauchtiefe variabel gestaltet werden kann.The floating flow funnel can also be installed floating on the surface of the water for the use of converters, such as water wheels or treadmill turbines, whereby the immersion depth can be variably designed by changing the amount of air in the air bodies of the hollow bodies trapezoidal in horizontal cross section.
Zur Nutzung als schwimmender Liegeplatz und/oder zur Bepflanzung auf der Deckplatte werden bei dem auf der Gewässeroberfläche schwimmend montierten und befestigten Strömungstrichter auf der oberseitigen Deckplatte Schutzgeländer und/oder Schutzgitter angebracht.For use as a floating berth and / or for planting on the cover plate, protective railings and / or protective grilles are attached to the flow funnel which is mounted and fastened floating on the surface of the water on the top cover plate.
Für den Einsatz in Gezeitengewässern mit wechselnden Strömungsrichtungen werden die Ein- und Ausangstrichter des Strömungstrichters, sowie die trapezförmige Deckenschwelle und die trapezförmige Bodenschwelle zur Vorder- und Rückseite symmetrisch geformt. Damit ergeben sich bei Strömungswechsel jeweils gleiche Eingangsseiten mit jeweils den gleichen Winkelgrößen. Dabei können mehrere Strömungstrichter zu Strömungstrichtermodulketten und mehrere Modulketten zu einem Strömungstrichtermodulfeld verbunden werden, wobei mit einem Stromtransportkabel der erzeugte Strom der in den Strömungstrichtern installierten Strömungskraftwerke an das Festland transportiert wird.For use in tidal waters with changing flow directions, the inlet and outlet funnels of the flow funnel, as well as the trapezoidal threshold and the trapezoidal threshold are formed symmetrically to the front and rear. This results in the same input sides with the same angle sizes when the flow changes. Several flow funnels can be connected to flow funnel module chains and several module chains to a flow funnel module field, with the electricity generated by the flow power plants installed in the flow funnels being transported to the mainland using a power transport cable.
Bei Bedarf wird einsatzspezifisch ein Metallschutzgitter gegen Treibgut am Ausgang und/oder Eingang des Strömungstrichters angebracht.If required, a metal protective grille against flotsam is attached to the outlet and / or inlet of the flow funnel, depending on the application.
Zur Nutzung der Energie von Strömungen, die bereits in Rohre gefasst sind, wird ein schwimmfähiger Strömungstrichter als Rohrströmungstrichter eingesetzt, wobei zur Eingangsseite des Rohrströmungstrichters ein Eingangselement angebracht wird, bei dem ein rohrförmiger Wasserzugang in einen rechteckigen Trichter überführt wird, der am Ende in seiner Höhe und Breite der Eingangsöffnung des Rohrströmungstrichters entspricht und zur Ausgangsseite des Rohrströmungstrichters ein Ausgangselement in umgekehrter Anordnung, wobei der rechteckige Ausgangstrichter des Rohrströmungstrichters in einem rohrförmigen Abfluss überführt wird. Damit kann die zur Energiegewinnung genutzte Strömung wieder rohrförmig abgeleitet werden. Der Rohrströmungstrichter kann auch außerhalb von Gewässern installiert werden.To use the energy of flows that are already contained in pipes, a floating flow funnel is used as a pipe flow funnel, with an input element being attached to the inlet side of the pipe flow funnel, in which a tubular water inlet is transferred to a rectangular funnel, which in the end is at its height and corresponds to the width of the inlet opening of the tube flow funnel and to the outlet side of the tube flow funnel an output element in reverse arrangement, the rectangular outlet funnel of the tube flow funnel being transferred into a tubular drain. The flow used to generate energy can thus be derived in tubular form again. The pipe flow funnel can also be installed outside of water.
Bei dem schwimmfähigen Strömungstrichter kann zur Oberseite des horizontalen Eingangstrichters noch ein trapezförmiger Ausschnitt in der Größe der Oberseite des horizontalen Eingangstrichters vorgenommen werden, womit durch die damit offene Oberseite des horizontalen Eingangstrichters turbulente Wassermassen, die bei der Strömungseinengung entstehen, nach oben abströmen können. Damit wird eine Verstärkung der Strömungsgeschwindigkeit im horizontalen Eingangstrichter erreicht.With the floating flow funnel, a trapezoidal cutout can be made to the size of the top of the horizontal input funnel to the top of the horizontal inlet funnel, so that turbulent water masses that arise when the flow is constricted can flow out through the open top of the horizontal inlet funnel. This increases the flow velocity in the horizontal inlet funnel.
Zur Abführung von Turbulenzen am horizontalen Eingangstrichter sind zur Vorderseite der im horizontalen Querschnitt trapezförmigen Hohlkörper durchgehende, horizontal verlaufende Rohre als Turbulenzabführer vorgesehen, mit denen turbulentes Strömungswasser am horizontalen Eingangstrichter, unter Umgehung der Umwandler, in den als Diffusortrichter wirkenden Ausgangstrichter zur Rückseite geleitet wird. Damit wird eine Leistungsverbesserung für das einzubauende Strömungskraftwerk erreicht.To discharge turbulence at the horizontal inlet funnel, continuous, horizontal pipes are provided to the front of the hollow body, which has a trapezoidal cross-section in the horizontal cross section, with which turbulent flow water at the horizontal inlet funnel is bypassed, bypassing the converters, into the outlet funnel, which acts as a diffuser funnel, to the rear. This improves the performance of the flow power plant to be installed.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen mit Beschreibung einer Ausführungsform. Die Zeichnungen sind beispielhaft erstellt und ohne Maßstabanwendung.
Es zeigen:
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1 einen horizontalen Strömungstrichter, der nach oben offen ist, mit mittseitigem Strömungskanal, im horizontalen Schnitt, -
2 die Ausbildung einer vertikalen Strömungseinengung mit Bodenschwelle und Deckenschwelle und mit mittseitigem Strömungskanal, im vertikalen Schnitt, -
3 einen Strömungstrichter mit horizontaler und vertikaler Strömungseinengung und einem Durchgängigkeitskanal zur Unterseite, im vertikalen Schnitt zur Vorderseite, -
4 a ein trapezförmiges Seitenteil des schwimmfähigen Strömungstrichters, mit Öffnungen zur Wasserbefüllung und -entleerung, -
4 b einen schwimmfähigen Strömungstrichter, mit mittseitigem Strömungskanal und Bodenplatte, im horizontalen Querschnitt, -
4 c einen schwimmfähigen Strömungstrichter, mit Belastungsmaterial und Luftkörper in den beiden Seitenteilen und mittseitigem Strömungskanal, mit eingebauter Deckplatte und einer Bodenplatte, im vertikalen Schnitt, -
5 einen schwimmfähigen Strömungstrichter mit Boden- und Deckplatte, mit Belastungsmaterial und Luftkörper in beiden Seitenteilen und mittseitigem Strömungskanal, mit eingebauter Deckenschwelle und Bodenschwelle, zur Ausbildung eines vertikalen Strömungskanals, im vertikalen Schnitt zur Vorderseite, -
6 eine Deckplatte für den schwimmfähigen Strömungstrichter, mit Ausschnitt zum Einbau eines Wasserrades oder einer Laufbandturbine und mit Schutzgittern an den Außenseiten, zur zusätzlichen Nutzung als Liegeplattform und/oder zur Bepflanzung, -
7 die Ausbildung einer vertikalen Strömungseinengung, mit mittseitigem Strömungskanal und einer quaderförmigen Aussparung zur Unterseite der Deckenschwelle, im vertikalen Schnitt, -
8 die Ausbildung einer vertikalen Strömungseinengung, mit mittseitigem Strömungskanal und einer Aussparung zur Unterseite der Deckenschwelle nach7 und einer zusätzlichen rampenförmigen Ausformung zur Oberseite der Bodenschwelle, im vertikalen Schnitt, -
9 durchgehende Turbulenzabführrohre an den zwei liegenden, im horizontalen Querschnitt trapezförmigen Hohlkörpern des Strömungstrichters, im horizontalen Schnitt, -
10 den schwimmfähigen Strömungstrichter, mit offener Oberseite des Eingangstrichters -
11 einen Rohrströmungstrichter mit rohrförmigen Übergangselementen zur Eingangs- und Ausgangsseite, -
12 ein Strömungstrichtermodulfeld für den Gezeiteneinsatz der Strömungstrichter.
Show it:
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1 a horizontal flow funnel, which is open at the top, with a central flow channel, in a horizontal section, -
2nd the formation of a vertical flow restriction with threshold and ceiling threshold and with a central flow channel, in a vertical section, -
3rd a flow funnel with horizontal and vertical flow restriction and a passage channel to the bottom, in a vertical section to the front, -
4 a a trapezoidal side part of the buoyant flow funnel, with openings for water filling and emptying, -
4 b a floatable flow funnel, with a central flow channel and base plate, in horizontal cross-section, -
4 c a floating flow funnel, with loading material and air body in the two side parts and central flow channel, with built-in cover plate and a base plate, in vertical section, -
5 a buoyant flow funnel with base and cover plate, with loading material and air body in both side parts and central flow channel, with built-in threshold and threshold, to form a vertical flow channel, in vertical section to the front, -
6 a cover plate for the buoyant flow funnel, with cut-out for installing a water wheel or a treadmill turbine and with protective grilles on the outside, for additional use as a deck platform and / or for planting, -
7 the formation of a vertical flow restriction, with a flow channel in the middle and a cuboid recess to the underside of the threshold, in a vertical section, -
8th the formation of a vertical flow constriction, with a central flow channel and a recess to the underside of the threshold7 and an additional ramp-like shape to the top of the threshold, in a vertical section, -
9 continuous turbulence discharge pipes on the two horizontal, trapezoidal hollow bodies of the flow funnel, in horizontal section, -
10th the buoyant flow funnel, with the top of the inlet funnel open -
11 a tubular flow funnel with tubular transition elements to the inlet and outlet side, -
12th a flow funnel module field for the tidal use of the flow funnels.
In
Die ankommende Strömung wird damit im Eingangstrichter
Dieses kostengünstige Verfahren hat den Vorteil, dass die im horizontalen Querschnitt trapezförmigen Hohlkörper
Der horizontale Strömungstrichter
Der im Strömungskanal
Wie in
Das Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke ist modular konzipiert und kann, je nach den Gegebenheiten der vorhandenen Strömungsgewässer, in folgenden Stufenvarianten erstellt und installiert werden:
- Systembasis ist der horizontale Strömungstrichter, der aus zwei trapezförmigen Hohlkörpern besteht. In dem ausgebildeten horizontalen Strömungskanal des Strömungstrichters werden Strömungskraftwerke eingebaut werden.
- The system is based on the horizontal flow funnel, which consists of two trapezoidal hollow bodies. Flow power plants will be installed in the horizontal flow channel of the flow funnel.
Zur weiteren Strömungsverstärkung wird zur Oberseite des horizontalen Strömungskanals eine im vertikalen Querschnitt trapezförmige Deckenschwelle als Hohlkörper eingebaut. An der Unterseite der Deckenschwelle werden die Turbinen und im Innenraum die Geräte für Strömungskraftwerke eingebaut.For further flow reinforcement, a ceiling sill trapezoidal in vertical cross section is installed as a hollow body at the top of the horizontal flow channel. The turbines are installed on the underside of the threshold and the devices for flow power plants are installed inside.
Die letzte Stufe der Strömungsverstärkung erfolgt mit dem zusätzlichen Einbau eine im vertikalen Querschnitt trapezförmigen Bodenschwelle. Hiermit wird gleichzeitig im horizontalen Strömungskanal noch eine vertikale Strömungsverstärkung ausgebildet.The final stage of the flow amplification takes place with the additional installation of a threshold which is trapezoidal in vertical cross section. With this, a vertical flow reinforcement is simultaneously formed in the horizontal flow channel.
Für den Einsatz in Gezeitengewässern können mit Verbindungskabeln Strömungstrichtermodulketten erstellt und mehrere Modulketten zu einem Strömungstrichtermodulfeld verbunden werden.For use in tidal waters, flow module chains can be created with connecting cables and several module chains can be connected to form a flow module field.
Als Zusatzkomponenten können eingebaut werden:
- ein Durchgängigkeitskanal zur Bodenseite für Fische und dem natürlichen Gewässergeschiebe, ein Schutzgitter gegen Treibgut zur Rückseite und/oder Vorderseite und
- für Laufbandturbinen eine Aussparung zur Unterseite der Deckenschwelle und eine zusätzliche Rampe zur Oberseite der Bodenschwelle.
- a passage channel to the bottom for fish and the natural bed load, a protective grille against flotsam to the rear and / or front and
- for treadmill turbines, a recess to the underside of the threshold and an additional ramp to the top of the threshold.
InnovationsvorteileInnovative advantages
Mit dem Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke ergeben sich folgende Innovationsvorteile:
- Während bisher für Strömungskraftwerke, bei denen die Turbinen nach dem Stand der Technik nur einfach in die Strömung eingehängt werden, nur die vorhandene Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsgewassers genutzt werden kann, kann mit dem Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke die vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit
um den Faktor 1,5 bis 2,0 gesteigert werden. Die Produktivität der Stromerzeugung kann damit, gegenüber den bisher eingesetzten Strömungskraftwerken, bei denen die Turbinen nur einfach in die Strömung eingehängt werden, um ein Mehrfaches gesteigert werden, wobei die 3. Potenz bei der Stromleistung zum Tragen kommt. Infolge der erzielten Strömungsverstärkung können mit dem Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke, gegenüber dem Stand der Technik, entweder kleineren und damit kostengünstigeren Turbinen für die gleiche Stromleistung eingesetzt werden, oder es kann bei gleicher Turbinengröße eine höhere Stromleistung erzielt werden. Hieraus ergeben sich Kostenvorteile bei der Turbineninvestition, Wartung und den Reparaturkosten.
- So far, only the existing flow velocity of the flow water can be used for flow power plants in which the turbines according to the prior art are simply hung into the flow, with the flow amplification system for flow power plants the existing flow speed can be increased by a factor of 1.5 to 2. 0 can be increased. The productivity of power generation can thus be increased many times over compared to the current power plants in which the turbines are simply hung in the flow, the third power being used in the power output. As a result of the flow amplification achieved, with the flow amplification system for flow power plants, compared to the prior art, either smaller and therefore less expensive turbines can be used for the same current output, or a higher current output can be achieved with the same turbine size. This results in cost advantages in turbine investment, maintenance and repair costs.
Bei einem Modellversuch in einem Strömungskanal ergab sich für den horizontalen Strömungstrichter mit einer Strömungseinengung auf ein Drittel der Eingangsfläche des Strömungstrichters eine Strömungsverstärkung mit dem Faktor 1,6 und bei einer weiteren Strömungseinengung, mit Boden- und Deckenschwelle, auf ein Viertel der Eingangsfläche eine Strömungsverstärkung mit dem Faktor 1,9. Im ersten Fall kann damit mit dem Einsatz des Strömungstrichters, bei gleicher Turbinengröße, die 4-fache Stromleistung erzeugt werden und im zweiten Fall die 6,85-fache Stromleistung.In a model test in a flow channel, the horizontal flow funnel with a flow restriction on a third of the inlet surface of the flow funnel resulted in a flow gain with a factor of 1.6 and with a further flow restriction, with floor and ceiling threshold, a flow gain with a quarter of the input surface the factor 1.9. In the first case, using the flow funnel with the same turbine size, 4 times the power output can be generated and in the second case 6.85 times the power output.
Während bisher nach dem Stand der Technik zur wirtschaftlichen Stromerzeugung für Strömungskraftwerke eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 2 m/s erforderlich ist, können mit dem Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke bereits Strömungsgewässer mit einer vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit ab ca. 1,5 m/s wirtschaftlich zur Stromerzeugung genutzt werden. Mit dem Strömungsverstärkungssystem kann damit zusätzlich eine große Menge des vorhandenen kinetischen Energiepotenzials umweltfreundlich in elektrischen Strom umgewandelt werden, das nach dem Stand der Technik bisher nicht wirtschaftlich genutzt werden kann.Whereas a flow rate of at least 2 m / s was previously required for the economical generation of electricity for flow power plants according to the state of the art, with the flow amplification system for flow power plants flow waters with an existing flow rate of approx. 1.5 m / s can already be used economically for electricity generation. With the flow amplification system, a large amount of the existing kinetic energy potential can additionally be converted into electrical current in an environmentally friendly manner which, according to the state of the art, has so far not been able to be used economically.
Ein weiterer, wenn auch nicht finanziell messbarer Innovationspunkt ist, dass das Strömungsverstärkungssystem, im Gegensatz zu den zur Zeit eingesetzten, an der Oberfläche der Gewässer schwimmend angebrachten Strömungskraftwerke, auch auf dem Gewässergrund abgesenkt werden kann. Damit ergibt sich auch keine sichtbare Störung in der Flusslandschaft.Another, if not financially measurable, innovation point is that the flow enhancement system, in contrast to the current power plants floating on the surface of the body of water, can also be lowered on the bottom of the body of water. This means that there is no visible disturbance in the river landscape.
Der horizontale Strömungstrichter ist zur Oberseite offen. Im Unterschied zu Trichtern mit geschlossener Wandung können damit turbulente Wassermassen, die bei der Strömungseinengung entstehen, zur Oberseite abströmen. Damit wird die Verstärkung der Strömungsgeschwindigkeit im horizontalen Strömungstrichter verbessert.The horizontal flow funnel is open to the top. In contrast to funnels with a closed wall, turbulent water masses that arise when the flow is restricted can flow out to the top. This improves the flow velocity gain in the horizontal flow funnel.
Weiterhin vorteilhaft für das Strömungsverstärkungssystem für Strömungskraftwerke ist die horizontale Ausbildung des Strömungstrichters, der bereits in Höhen ab 1 m erstellt werden kann. Damit ist der Einsatz in Strömungsgewässern mit sehr geringer Gewässertiefe möglich.Another advantage for the flow amplification system for flow power plants is the horizontal design of the flow funnel, which can be created at heights from 1 m. This means that it can be used in streams with very low water depths.
Mit Hilfe der im horizontalen Querschnitt trapezförmigen Hohlkörper, die im Innenraum mit Belastungsmaterial und aufblasbaren Luftkörpern und Beflutungsöffnungen versehen sind, kann der schwimmfähige Strömungstrichter mit einem einsatzfertigen Strömungskraftwerk dann im Strömungsgewässer schwimmend auf der Oberfläche, schwebend in beliebiger Gewässertiefe oder abgesenkt auf dem Gewässergrund installiert werden. Dabei kann die Einsatztiefe über die Luftmenge der Luftkörper auch jederzeit wieder verändert werden. Bei sich veränderten Strömungsverhältnissen kann eine Änderung der Installationstiefe vorgenommen werden.With the help of the horizontal trapezoidal hollow bodies, which are provided with loading material and inflatable air bodies and flooding openings in the interior, the floatable flow funnel can be installed with a ready-to-use flow power plant floating in the flow water on the surface, floating in any water depth or lowered on the water bed. The depth of use can also be changed at any time using the air volume of the air bodies. If the flow conditions change, the installation depth can be changed.
Die Deckplatte bei dem auf der Gewässeroberfläche schwimmend befestigten Strömungstrichter kann an den Außenseiten mit Schutzvorrichtungen versehen und damit auch als schwimmende Energieinsel mit Liegeplatz oder zur Bepflanzung genutzt werden.The cover plate of the flow funnel floating on the surface of the water can be provided with protective devices on the outside and can thus also be used as a floating energy island with a berth or for planting.
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DE102018007956.3A Withdrawn DE102018007956A1 (en) | 2018-10-09 | 2018-10-09 | Flow amplification system for flow power plants |
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-
2018
- 2018-10-09 DE DE102018007956.3A patent/DE102018007956A1/en not_active Withdrawn
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