DE102020007509B4

DE102020007509B4 - Vorrichtung zur Gewinnung und Speicherung der Energie aus Wasserwellen

Info

Publication number: DE102020007509B4
Application number: DE102020007509.6A
Authority: DE
Inventors: Miroslaw Jarocki; Jakob Jarocki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-12-05
Filing date: 2020-12-05
Publication date: 2022-11-24
Anticipated expiration: 2040-12-06
Also published as: DE102020007509A1

Abstract

Anlage zur Gewinnung und Speicherung der Energie aus Wasserwellen in welchen das Wasser als Energiespeichermedium in einem Behälter bzw. Auffangbecken. aufgestaut wird, wobei der Einlass des Wassers in den Behälter bzw. das Auffangbecken über ein Ventil erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sperrelement (31, 31a,b) des Ventils beim Öffnen gegen den Druck eines Gaspolsters (33) vorzugsweise eines Luftpolsters drückt, und das Gaspolster (33) sich im Innerraum des, insbesondere flexiblen Ventilgehäuse befindet und das Ventil mit einer Feder (35) ausgerüstet ist, welches die Auftriebskraft des Ventils ausgleicht und das Schließen des Ventils sichert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gewinnung und/oder Speicherung der Energie aus Wasserwellen.
In den Anlagen wird das durch einen oder mehrere Öffnungseinlässe fließende Wellen-Wasser in einem Auffangbecken aufgestaut. Das Zurückfließen des gespeicherten Wassers wird durch Einsatz von Rückstaubventilen bzw. Rückstauklappen verhindert.
In der erfindungsgemäßen Ausführung drückt das Sperrelement des Ventils nicht gegen eine Wassersäule sondern direkt bzw. indirekt gegen ein Gaspolster. Das Gaspolster (Gaskissen) erlaubt ein schnelles Öffnen und Schließen des Ventils.
In einer weiteren Ausführung befinden sich im Wasserstaubecken hinter der Ventilöffnung zusätzliche kleine Gaskissen, die im Falle eines sprunghaft ansteigenden Wasserdrucks den Überdruck der Wasserwelle absorbieren und den Wasserdurchfluss in den Staubecken erleichtern. Je mehr kleine Gaskissen vorhanden sind, desto effektiver wird der Überdruck der Wasserwellen absorbiert.
Stand der Technik:
Die Nutzung der Energie der Meereswellen ist Gegenstand vieler Projekte. Eine der bekannten Methoden, in der das erfindungsgemäße Ventil Verwendung finden könnte, ist das sog. „Overtopping‟ [1], [2], [6], [7].
In einer Overtopping-Anlage fließt beim Wellengang das Wasser über eine Rampe in ein Auffangbecken (Behälter). Das dort aufgestaute Wasser wird dann durch eine Wasserturbine eines Stromgenerators geleitet und fließt anschließend zurück ins Meer. Ein Vorteil einer Overtopping-Anlage ist u.a.. in der Kontinuität des generierten Stroms zu sehen. Vom Vorteil ist auch die Tatsache, dass die Wasserturbine nicht direkt der zerstörerischen Wirkung der Wasserwellen ausgesetzt ist. Die Höhe der Rampe ist auf eine bestimmte Wellenhöhe optimiert. Das ist ein wesentlicher Nachteil einer derartigen Anlage. Bei kleineren Wellen kann das Wasser nicht über die Rampe in das Becken gelangen und somit kein Strom erzeugt werden.
Wenn wiederum die Wellen höher als die Rampe sind, kann nicht die gesamte Energie der Wellen ausgenutzt werden.
Eine Abhilfe bei zu kleinen Wellen versucht man durch den Einsatz von Reflektoreinrichtungen zu schaffen (Patente: [2] Projekt: [8]).
Die Lösung ist allerdings mit zusätzlichen Investitionskosten verbunden. Eine andere Möglichkeit bietet der Bau mehrerer, auf verschiedenen Höhen übereinander angeordneten, Auffangbecken bzw. Behälter. Dies steigert allerdings die EnergieAnlagenkosten immens, da mehrere Wasserturbinen installiert werden müssen.
Als eine technisch sinnvolle Lösung wurde der Einsatz eines Rückstauventils (RSV). ([3], [4], [5])
Die RSV-Verwendung kann eine effiziente und kostengünstige Lösung insbesondere im Falle der Ausnutzung der Energie von kleinen Wasserwellen sein. Die Verwirklichung dieser Lösung erschwert die Nichtkomprimierbarkeit des Wassers. In einem RSV nach Stand der Technik drückt ein Sperrelement des Ventils gegen die Wassersäule im Auffangbecken (Behälter). Trifft ein Wellenimpuls auf das Ventil, wird die Welle wegen der Trägheit des im Becken befindlichen nichtkomprimierbaren Wassers größtenteils reflektiert und das Ventil öffnet sich nicht. Aus diesen Gründen hat die oben beschriebene Lösung keine praktische Anwendung gefunden.
Für die Förderung von Schüttgut wird eine Rohrleitung mit einer elastischen Auskleidung vorgeschlagen [9]. Durch Anlegen von einem mit Hilfe eines Pressluftkompressors erzeugten Überdruck wird die elastische Auskleidung zusammengedrückt und die Leitung abgesperrt. Diese technische Lösung eignet sich zum Einsatz als Absperrventil in Auffangbecken kaum, da die Synchronisierung des Ein- und Ausschaltens einer derart aufgebauten Ventilvorrichtung mit dem Wellengang technisch schwer zu verwirklichen wäre.
Aufgabe:
Die Motivation der vorliegenden Erfindung ist es, die kinetische Wasserwellenenergie unabhängig von der Wellengröße in die Potentiale Wasserenergie umzuwandeln Die Patentaufgabe ist die Zurverfügungstellung eines Ventils und einer Vorrichtung, welche ein schnelles und reibungsloses Öffnen und Schließen des Ventils auch bei schnell ansteigendem Wasserdruck ermöglicht. Beim geöffneten Ventil erleichtert die erfindungsgemäße Vorrichtung das Eindringen des Wassers in den Wasserbecken.
Die erfindungsgemäße Lösung kann in unterschiedlich dimensionierten Anlagen für alle Wellengrößen Verwendung finden.
Beschreibung der Erfindung
In der erfindungsgemäßen Ausführung drückt ein Sperrelement des Ventils nicht gegen eine Wassersäule sondern direkt oder indirekt gegen ein Gaspolster. Da ein Gas leicht komprimierbar ist, erlaubt das Gaspolster ein schnelles Öffnen und Schließen des Ventils. Des Weiteren sieht die erfindungsgemäße Lösung den Einsatz von im Staubecken positionierten Gasbehältern (Gaspolster). Diese hinter dem Ventil angeordneten Gasbehälter (Gaspolsters) erleichtern das Eindringen des Wassers ins Staubecken. Durch die Verwendung beider Lösungen kann die Effizienz der gesamten Anlage und damit die der Energiegewinnung sowohl bei kleinen als auch großen Wasserwellen gesteigert werden.
Der Aufbau und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils werden mit Hilfe der folgenden Zeichnungen erklärt: 1x,
Die alternativen Lösungen sind in 2x, 6x, dargestellt Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils. Ausführungsbeispiel Kolbenventil.
1-a. Das Ventil ist geschlossen. Der Gasdruck innerhalb der Gaskammer (33) wird durch den beweglichen Kolben (34) an den Wasserdruck im Wasserbehälter (8) angepasst.
1-b. Der Wellengang. Durch den Wellengang drückt das Wasser auf die Sperrelement des Ventils (31). Durch die Verjüngung der Einlassöffnung (5) wird das Wasser beschleunigt und in das Auffangbecken gepresst. Sobald der Wasser- und Luftdruck am Einlass höher als im Inneren des Behälters (8) ist, bewegt sich die Ventilklappe (31) nach oben und komprimiert das Gas in der Gaskammer(33). Das Ventil öffnet sich und die komprimierte Luft (42) und das Wasser (41) strömen während der vertikalen Wellenbewegung in das Becken.
Um das Einströmen des Wassers zu erleichtern, befindet sich hinter dem Ventil ein Gasbehälter (81), welcher als ein Gaspolster fungiert.
1-c. Das Ventil ist offen und das Wasser strömt in das Becken. Der Kolben (34) bewegt sich nach oben, mindert den Überdruck in der Gasskammer (33) und verhindert das vorzeitige Schließen des Ventils.
Das Gaspolster (81) wird durch den Überdruck am Einlass komprimiert und erleichtert das Einströmen der Wasserwelle.
1-d. Das Ventil schließt. Wenn der Wasserdruck außerhalb des Wasserbeckens nachlässt, ist der Gasdruck in der Gaskammer (33) größer als an der Einlassöffnung. Der Kolben bewegt sich nach unten und schließt den Behälter.
Das Gaspolster (81) gleicht seinen Überdruck durch Ausdehnung aus und erhöht somit die potentielle Energie des Wassers im Becken.
Die Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. So kann im Ventil das Sperrelement aus einem elastischen Gasbehälter (Gaskissen) bestehen, 2-a, b, c, d.
Die Funktionsweise und der Ablauf der Öffnungs- und Schließphasen eines solchen Ventils ist mit der des in 1 beschriebenen Ventils identisch. Die Feder (35) ersetzt die Funktion des beweglichen Kolbens(34).
Vorteile der Ventilausführung mit Gaskissen:

- Sperrelement des Ventils (31a) ist beweglicher ;
- das Ventil ist kompakter
- Die Reibung mechanischer Komponenten ist geringer.

Eine weitere Ausführungsoption bestünde aus einer Ventilausführung, in der das Sperrelement vom Gaskissen getrennt ist. (6-a, b, c, d
Vorteile der Ventilausführung mit getrenntem Gaskissen:

- man kann einfachere Sperrelemente (z.B. Klappventil) am Einlass verwenden

Einsatzbeispiele:
Das erfindungsgemäße Ventil und die Vorrichtung können sowohl in einem Wellenbrecher als auch auf einer schwimmenden Plattform verwendet werden.
Die Zeichnung in 3 zeigt eine mögliche Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils in einer Anlage mit Wasserspeicher (schematische Darstellung).
Falls die im Staubecken eingepresste Luftmenge groß ist, könnte der Einsatz eines geschlossenen Wasserbehälters vorteilhaft sein, 4 (schematische Darstellung)
Die Zeichnung in 5 zeigt die Seitenansicht einer Anlage mit Wasserspeicher
Figurenliste

1-a,b,c,d: Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils. Ausführung Kolbenventil.
2-a,b,c,d. Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils mit einer elastischen Gaskammer in Form eines Luftkissens.
3: Funktionsdiagramm einer Anlage mit Wasserspeicher
4 Funktionsdiagramm einer Anlage mit Wasserspeicher in Form eines Druckbehälters und optionalen externen Wasserspeichers.
5: Seitenansicht einer Anlage mit Wasserspeicher (schematische Darstellung)
6-a,b,c,d: Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem herkömmlichen Klapp-Ventil, welches indirekte Verbindung mit einer elastischen Gaskammer in Form eines Luftballon hat.

Bezugszeichenliste

1: Horizontale Wellen
2: Horizontaler Einlass
3: Einlass Ventil
4: Vertikale Wasserbewegung
5: Vertikaler Einlass
6: Sicherheitsventil
7: Staubecken
7p: Staubecken mit Druckbehälter
8: Im Staubecken befindliches Wasser
9: Abfluss des Staubeckens
10: Steuerventil für die Wasserturbine
11: Wasserturbine
12: Strom Generator
13: Ventil für externes Becken
14: Externes Becken
15: Wasser im externen Becken
16: Steuerventil für die Luftturbine
17: Luftturbine
18: Stromgenerator
21: Schutzgitter
31: Sperrelement des Ventils
31a: Sperrelement des Ventils (hier in einer flachen Form)
31b: Sperrelement des Ventils (hier in Form eines Klapp-Ventils)
32: Ventil-Gehäuse
32a: Ventil-Gehäuse (elastisch)
32b: Gasbehälter neben einem Ventil
33: Gaskammer
34: Beweglicher Kolben
34a: Gaskammer Gegenseite (Deckel)
35: Rückstellfeder
36: Führungsstange
41: Vertikale Wasserbewegung
42: Luftblase am Einlass
43: komprimierte Luft im Staubecken
44: einströmendes Wasser
81: Gasbehälter (Gaspolster)

Claims

Anlage zur Gewinnung und Speicherung der Energie aus Wasserwellen in welchen das Wasser als Energiespeichermedium in einem Behälter bzw. Auffangbecken. aufgestaut wird, wobei der Einlass des Wassers in den Behälter bzw. das Auffangbecken über ein Ventil erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sperrelement (31, 31a,b) des Ventils beim Öffnen gegen den Druck eines Gaspolsters (33) vorzugsweise eines Luftpolsters drückt, und das Gaspolster (33) sich im Innerraum des, insbesondere flexiblen Ventilgehäuse befindet und das Ventil mit einer Feder (35) ausgerüstet ist, welches die Auftriebskraft des Ventils ausgleicht und das Schließen des Ventils sichert.
Anlage zur Gewinnung und Speicherung der Energie aus Wasserwellen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Gaspolster durch einen flexiblen Gasbehälter gebildet wird
Anlage zur Gewinnung und Speicherung der Energie aus Wasserwellen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Ventilnähe (31, 31a, 32b) ein oder mehrere flexible Gasbehälter mit Gaspolstern befinden.
Anlage zur Gewinnung und Speicherung der Energie aus Wasserwellen nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich in Staubecken zur Lenkung von Wasserströmung komprimierbare Gasbehälter befinden
Anlage zur Gewinnung und Speicherung der Energie aus Wasserwellen nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ventil und dem Auffangbecken ein offenes Sicherheitsventil (6) angeordnet ist, welches das Rückwärtsfließen des Wassers verhindert.