DE19613599A1

DE19613599A1 - Stromerzeugungsanlage

Info

Publication number: DE19613599A1
Application number: DE19613599A
Authority: DE
Inventors: Kiyotatsu Fukai
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-17
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2016-04-05
Also published as: JPH08284802A; SE9504095D0; DE19613599C2; SE9504095L; GB9511570D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Stromerzeugungsanlagen, die mit Wasser betrieben werden, besteht das Problem, daß aufgestautes Wasser nur in beschränk tem Umfang vorhanden ist. Deshalb wird in Zeiten, in denen aus reichend Strom zur Verfügung steht, bei Wasserkraftwerken das Wasser oftmals mit Hilfe elektrischer Energie in das obere Re servoir zurückgepumt. Die Engergiebilianz bei dieser Vorgehens weise ist jedoch unbefriedigend.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stromerzeugungs anlage mit einer günstigeren Energiebilanz bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung besteht aus einer Anordnung mit einer Leitung, über die das Wasser in einen höhergelegenen Tank hochgepumpt wird, einem Ablaufrohr, einem Generator, einem Wasserrad, einer Pumpe, einem Elektromotor, einem Steuermechanismus eines Ven tils und einem tiefer gelegenen Wassertank.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungs beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnun gen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine beispielhafte Anordnung, die das Funktions prinzip der Stromerzeugungsanlage gemäß der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 eine Vorderansicht einer Anordnung, welche die Hydrodynamik veranschaulicht.

In Fig. 2 wird ein Tank 1 mit einem Innendurchmesser von 0,23 m und einer Höhe 9 von 0,35 m und ein Ablaufrohr 2 mit einem Innendurchmesser von 0,007 m dargestellt. Die Bezugsziffer 10 steht für die Gesamthöhe, die 1,1 m beträgt, 3 für eine Wasser zuführung, die durch einen Pfeil angedeutet ist und 4 für eine Geschwindigkeit, die ebenfalls durch einen Pfeil angedeutet ist.

Gemäß der Literatur über Hydrodynamik kann eine Schlußfolgerung gezogen werden, daß die Geschwindigkeit 4 mit 20 m/s oder mehr innerhalb von etwa 3 s aufgrund der Erdanziehungskraft erreicht werden kann.

Dies ist eine Angelegenheit von großer Wichtigkeit auf dem Ge biet der Hydraulik, da gemäß Bernoullis und Torricellis Theorem die Geschwindigkeit 4 mit 4,6 m/s bestimmt wird. Gemäß der Be rechnung ist:

Weiterhin wurde die Erfindung durch Experimente in einem Labor des Erfinders bestätigt. Nach alledem können die Theoreme nicht auf die Erfindung angewendet werden. Wenn die Geschwindigkeit 4 20 m/s erreicht, entspricht dies einer Gesamthöhe von 20,4 m. Gemäß der Berechnung ist:

Gesamthöhe = v²/2g = 20² m²/s²/19,6 m/s² = 20,4 m.

Ein Wasserdruck des Tanks wirkt immer auf den oberen Teil des Ablaufrohrs 2 und drückt das darin befindliche Wasser in Erd richtung. Dementsprechend fließt das im Ablaufrohr 2 befind liche Wasser nicht mit einer absolut festgelegten Geschwindig keit.

Infolgedessen fließt das vom Tank 1 in das Ablaufrohr 2 einge füllte Wasser immer zur Erde hinab, so daß das Wasser mit zu nehmender Geschwindigkeit abläuft.

Die vorangehenden Feststellungen werden unter Bezug auf Fig. 1 nachfolgend näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit einer Gesamthöhe 5, in der ein höhergelegener Tank 8, ein Ablaufrohr 14, eine Pumpe 6, eine Wasserradwelle 13, die mit einem Generator verbunden ist, ein Steuermechanismus 16, der den Winkel eines Ventils 20 automa tisch einstellt, eine Leitung 7, über die das Wasser hochge pumpt wird, eine Laufrolle 12 eines Wasserrades, ein tieferge legener Tank 18, ein Elektromotor 19 und ein Rollkreis 11 der Wasserradzellen dargestellt ist. Die Bezugsziffer 17 steht für eine Wasserzuführung, die durch einen Pfeil angedeutet ist, und die Bezugsziffer 15 steht für eine Geschwindigkeit, die eben falls durch einen Pfeil angedeutet ist. Da der Zweck der Erfin dung ist, die hohe Geschwindigkeit 15 des Wasserstrahls zu ver wenden, wird das am meisten bevorzugte Pelton Wasserrad an stelle der anderen verwendbaren Francis und Capran Wasserräder ausgewählt und in Fig. 1 als eine Ausführungsform veranschau licht. Eine Pumpe 6 ist direkt mit einem Elektromotor 19 ver bunden, um das Wasser von einem tiefergelegenen Tank über eine Leitung 7 zu einem höhergelegenen Tank 8 zu pumpen. Ein Ventil 20 steuert die Strömungsrate in einem Ablaufrohr 14 mit glatter Innenfläche, das mit dem unteren Teil des höhergelegenen Tanks 8 verbunden ist.

Das im Ablaufrohr 14 angeordnete Ventil 20 ist direkt mit dem Steuermechanismus 16 verbunden, der die Winkelbewegung des Ven tils 20 automatisch steuert, die dem Belastungszustand des Ge nerators entspricht. Über eine Hauptwelle 13 des Pelton Wasserrads kann direkt ein Generator angeschlossen werden. In nerhalb des gesamten Mechanismus wird ein Teil der so erzeugten Energie dem Elektromotor 19 für die Pumpe 6 geliefert; der Großteil der Energie kann jedoch externen Anordnungen zugeführt werden. Das Pelton Wasserrad ist mit einer Laufrolle 12 mit mehreren Wasserradzellen ausgestattet, die auf dem Umfang der Laufrolle 12 befestigt sind und einen Rollkreis 11 bilden. Das Pelton Wasserrad ist in der Lage, die Wasserradzellen bei hoher Geschwindigkeit zu drehen, wenn das Wasser konstant bei einer Geschwindigkeit von 200 m/s in Laufrichtung des Pfeils 15 und durch den Tank 8 hinunterfließt. Wenn die Strömungsgeschwindig keit 15 200 m/s ist, beträgt die Höhe H 2040 m. Gemäß dieser Berechnung ist:

v²/2g = 200² m²/s²/2 _* 9,8 m/s² = 2040 m

Eine Geschwindigkeit von 200 m/s kann innerhalb von 20,4 s ab Start erreicht werden, da:

v = gt = 9,8 m/s² _* 20,4 s = 200 m/s

Wenn man annimmt, daß die Gesamthöhe 5 in Fig. 1 10 m beträgt und die Wassermenge pro Sekunde Q 0,1 m³/s ist, erreicht die erzeugte Energie einen Wert von 1999,2 KW, wenn man ferner an nimmt, daß die theoretische Wasserenergie bei 9,8 QH (KW = 9,8 _* 0,1 _* 2040 = 1999,2) liegt. Der Wirkungsgrad beträgt dann un gefähr 70%. Daher beläuft sich die nach außen abgegebene Ener gie auf 1399 KW (1999,2 _* 0,7 KW)

Wenn man andererseits annimmt, daß die Gesamthöhe 5 10 m be trägt, die Wassermenge pro Sekunde 0,1 m³/s und der gemeinsame Wirkungsgrad der Pumpe 6 und des Motors 19 0,4 beträgt, beläuft sich die intern verbrauchte elektrische Energie auf 25 KW (9,8 Qh/0,4 = 9,8 _* 0,1 _* 10/0,4 = 25). Als Formel ausgedrückt wer den die 1374 KW erhalten durch: 9,8 Q _*(0,7 H - h/0,4), wobei Q = 0,1 m3/s, der Wert 0,7 aus dem Wirkungsgrad des Generators (etwa 0,9) und des Wasserrads (etwa 0,8) berechnet wird gemäß 0,9 _* 0,8 = 0,7, der Wert 0,4 aus dem Wirkungsgrad der Pumpe 6 (etwa 0,6) und des Motors 19 (etwa 0,66) berechnet wird gemäß 0,6 _* 0,7 = 0,4, h die Gesamthöhe 5 mit 10 m und H die prak tisch wirksame Höhe von 2040 m ist, bei der eine Geschwindig keit von 200 m/s erreicht wird gemäß: 200 m/s = v²/2g = 200²/19,6 = 2040 m.

Die hier veranschaulichte Ausführungsform kann zahlreichen Ver änderungen unterworfen werden. Der Erfinder entdeckte eine Be dingung, in der die Energiebilanz besonders günstig ist, die folgendermaßen definiert ist:
eine hochgepumpte Menge pro Sekunde muß gleich oder größer als eine Ablaufmenge pro Sekunde sein. Die Formel läßt sich wie folgt aufstellen:

Dies wird durch Umformen zu:

und daraus wird im Ergebnis:

erhalten, wobei D der Innendurchmesser der Leitung 7, d der In nendurchmesser des Ablaufrohrs 14, h die Gesamthöhe 5 und V die Geschwindigkeit 15 ist.

Durch Einhalten obiger Bedingung läßt sich eine äußerst gün stige Energiebilanz erreichen.

Claims

1. Stromerzeugungsanlage, die folgendes umfaßt:
eine Pumpe (6), die direkt mit einem Elektromotor (19) verbunden ist, um Wasser von einem tiefergelegenen Tank (18) über eine Leitung (7) zu einem höhergelegenen Tank (8) hochzupumpen;
einen Wasserzufluß, um den höhergelegenen Tank zu füllen;
ein Ventil (20), um die Strömungsrate in einem Ablaufrohr (14) zu steuern, das mit dem unteren Teil des höhergelege nen Tanks (8) verbunden ist;
einen Steuermechanismus (16), der mit dem im Ablaufrohr (14) angeordneten Ventil (20) verbunden ist und der das Ventil (20), dessen Öffnungszustand dem Belastungszustand des Generators entspricht, automatisch steuert;
ein Wasserrad, insbesondere ein Pelton Wasserrad (11, 12); und
einen Generator, der mit der Hauptwelle des Wasserrades (11, 12) verbunden ist und dessen erzeugte Energie zu ei nem gewissen Prozentsatz direkt der Pumpe zugeführt wird.

2. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser D der Leitung (7) der Beziehung genügt, wobei d der Innendurchmesser des Ablaufrohres (14), h die Gesamthöhe der Stromerzeugungsanlage, v die Geschwindig keit des auf das Wasserrad auftretenden Wassers und g die Erdanziehungskraft ist.