DE20312364U1 - Converter for transforming underwater flows into electrical energy, has foldable blades arranged on toothed belt arranged on two horizontal shafts - Google Patents
Converter for transforming underwater flows into electrical energy, has foldable blades arranged on toothed belt arranged on two horizontal shaftsInfo
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Abstract
Description
VORRICHTUNG ZUR UMWANDLUNG VON UNTERWASSERSTRÖMUNGEN IN ELEKTRISCHE ENERGIEDEVICE FOR CONVERTING UNDERWATER CURRENTS INTO ELECTRICAL ENERGY
Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Unterwasserströmungen in elektrische Energie mit einem Zahnriemen, an dem mindestens ein um 90° umklappbares Antriebsblatt angeordnet ist, wobei der Zahnriemen die durch die Wasserströmung erzeugte kinetische Energie an die Antriebswelle und weiter an einen elektrischen Generator überträgt, in dem diese kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.The innovation relates to a device for converting underwater currents into electrical energy with a toothed belt on which at least one drive blade that can be folded over by 90° is arranged, wherein the toothed belt transmits the kinetic energy generated by the water flow to the drive shaft and further to an electrical generator in which this kinetic energy is converted into electrical energy.
Im Stand der Technik sind unzählige Anlagen und Einrichtungen bekannt, welche zur Nutzung der Wasserkraft die potentielle und die kinetische Energie des Wassers in mechanische und/oder elektrische Energie umsetzen. In großen Wasservolumen ist in den Tideströmungen der Meere und Gewässer eine große Menge kinetische Energie enthalten, die mit entsprechenden maschinellen Einrichtungen in elektrische Energie umsetzbar ist.In the current state of the art, countless systems and devices are known which convert the potential and kinetic energy of water into mechanical and/or electrical energy in order to use hydropower. In large volumes of water, the tidal currents of the seas and bodies of water contain a large amount of kinetic energy which can be converted into electrical energy using appropriate mechanical devices.
Die Wasserströmungen in den Ozeanen sind mit der Flut und Ebbe direkt verbunden. Die Dynamik dieser Wasserströmungen ist im 18. Jahrhundert von Laplace theoretisch studiert worden und wird bis zur Gegenwart experimentell und theroretisch weiter erforscht. Die Variationen der Wasserströmungen sind mit vielen geophysikalischen und astronomischen Parametern verbunden und sind um den Globus sehr unterschiedlich, weil die Bewegungen der Unterwasserwellen von vielen Parametern abhängig sind. Im Jahr 1833 hat W. Whewel versucht, ebenso wie nach ihmThe water currents in the oceans are directly connected to the high and low tides. The dynamics of these water currents were theoretically studied by Laplace in the 18th century and are still being investigated experimentally and theoretically to the present day. The variations in water currents are connected to many geophysical and astronomical parameters and are very different around the globe because the movements of underwater waves depend on many parameters. In 1833, W. Whewel tried, as did others after him, to
R. Harris im Jahr 1904, R. Sterneck 1920 und G. Dietrich 1944, globale Tabellen und Karten über die Dynamik von Ebbe und Flut und den Tideströmungen zu erstellen. Die dargelegten Resultate sind bis zur Gegenwart nicht perfekt und haben nur begrenzte wirtschaftliche Bedeutung.R. Harris in 1904, R. Sterneck in 1920 and G. Dietrich in 1944, to produce global tables and maps of the dynamics of tides and tidal currents. The results presented are not perfect to date and have only limited economic significance.
Im Stand der Technik ist bekannt, daß man versucht, die kinetische Energie der genannten Tideströmungen durch den Einsatz von Unterwasserkraftwerken in elektrische Energie umzusetzen. In 18 bis 20 m Tiefe auf dem Meeresboden sind Kraftanlagen nach der Art von Windkraftanlagen an einer Mehrzahl von Stützpfeilern befestigt. Im physikalischen Prinzip ist ein solches Tidenkraftwerk dasselbe wie eine Windkraftanlage, nur die Propellerblätter sind flächenmäßig größer. Eine andere Alternative ist nach dem Prinzip der Schwanzflosse eines Wales konzipiert, die aus einer 10m langen Tragfläche besteht. Durch die Wasserströmungen wird die Flosse abwechselnd nach oben und nach unten gedrückt und solche Pumpenbewegung wird an die Turbine übertragen.It is known in the state of the art that attempts are being made to convert the kinetic energy of the tidal currents mentioned into electrical energy by using underwater power plants. At a depth of 18 to 20 m on the seabed, power plants similar to wind turbines are attached to a number of support pillars. In physical principle, such a tidal power plant is the same as a wind turbine, only the propeller blades are larger in area. Another alternative is designed according to the principle of a whale's tail fin, which consists of a 10 m long wing. The water currents push the fin up and down alternately and this pumping movement is transferred to the turbine.
Die Tidenkraftwerke gemäß dem Stand der Technik haben jedoch einen sehr niedrigen Wirkungsgrad, weil die Wassermenge eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Auch sind die Tragflächen zu klein, um für eine solche Wassermenge vollen Widerstand zu leisten.However, the state-of-the-art tidal power plants have a very low efficiency because the water volume has a low flow velocity. The wings are also too small to provide full resistance to such a volume of water.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Unterwasserströmungen in elektrische Energie zu erschaffen, die mit einer großen Tragfläche und einer Mehrzahl von Antriebsblättern betriebenThe innovation is based on the task of creating a device for converting underwater currents into electrical energy, which can be operated with a large wing and a plurality of drive blades.
wird. Die Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art nach der Neuerung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale gelöst. Die hier beschriebene neuartige Vorrichtung wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The object is achieved with a device of the type mentioned at the outset according to the innovation by the features stated in the characterizing part of the main claim. The novel device described here is explained in more detail below using the drawings of exemplary embodiments.
Es zeigt schematischIt shows schematically
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Vorrichtung mit Antriebsblatt, mit Stützen und horizontaler Welle.Fig. 1 a cross-section through the device with drive blade, with supports and horizontal shaft.
Fig. 1 in Seitenansicht das Konstruktionsprinzip der neuerungsgemäßen Vorrichtung mit horizontaler Welle.Fig. 1 shows a side view of the design principle of the innovative device with a horizontal shaft.
Fig. 3 einen Querschnitt durch die Vorrichtung mit Antriebsblatt, Stützen und vertikal angeordneter Welle.Fig. 3 a cross-section through the device with drive blade, supports and vertically arranged shaft.
Fig. 4 in Seitenansicht das Konstruktionsprinzip der Vorrichtung mit vertikal angeordneter Welle.Fig. 4 shows in side view the construction principle of the device with vertically arranged shaft.
Fig. 1 veranschaulicht die Antriebsblätter 1 in aktiver Antriebsposition und die Antriebsblätter 2 in passiver Position. Die Antriebsblätter 1, 2 sind am Zahnriemen 3 befestigt, der um Zahnriemenscheiben 4 und 5 beweglich angeordnet ist. Die Zahnriemenscheiben 4, 5 sind an der horizontalen Welle 6 bzw. 7 befestigt, die wiederum an Stützen 8 und 9 drehbar angeordnet sind. Stützen 8 und 9 sind im Meeresboden befestigt.Fig. 1 illustrates the drive blades 1 in active drive position and the drive blades 2 in passive position. The drive blades 1, 2 are attached to the toothed belt 3, which is arranged to be movable around toothed belt pulleys 4 and 5. The toothed belt pulleys 4, 5 are attached to the horizontal shaft 6 and 7, respectively, which in turn are arranged to be rotatable on supports 8 and 9. Supports 8 and 9 are fixed in the seabed.
In Fig. 2 ist dasselbe dargestellt wie in Fig. 1,' nur im Querschnitt von vorne. Pfeile 10 kennzeichnen die Richtung der Wasserströmung. Antriebsblätter 1 und 2 haben eine große Fläche, an der die Wasserströmung wirkt. Die langsam strömende Wassermenge wirkt an den Antriebsblättern 1 wie eine senkrecht wirkende Kraft in die mit Pfeil 10 gekennzeichnete Richtung. Wenn Antriebsblatt 1 die Zahnriemenscheibe 5 erreicht, dann verliert die wirkende Kraft ihre Wirkung, weil sich Antriebsblatt 1, wie durch Symbol 2 veranschaulicht, in Strömungsrichtung wendet. Das Antriebsblatt 2 wendet sich wieder und zwar dann, wenn es die Zahnriemenscheibe 4 erreicht. Stützhebel 11 blockiert das Antriebsblatt 1 so, daß es zur Wasserströmung in senkrechter Position bleibt. In Fig. 1 und 2 ist dieser Zustand dargestellt. Da die Antriebsblätter 1, 2 eine große Fläche ausweisen, sind Öffnungen 12 als Wirbelbrecher notwendig. Kleine Wassermengen strömen durch Öffnungen 12, wodurch die Wasserwirbel hinter dem Antriebsblatt 1 gemindert werden.Fig. 2 shows the same as in Fig. 1, only in cross-section from the front. Arrows 10 indicate the direction of the water flow. Drive blades 1 and 2 have a large surface area on which the water flow acts. The slowly flowing water acts on the drive blades 1 like a vertical force in the direction indicated by arrow 10. When drive blade 1 reaches the toothed belt pulley 5, the force acting loses its effect because drive blade 1 turns in the direction of flow, as shown by symbol 2. Drive blade 2 turns again when it reaches toothed belt pulley 4. Support lever 11 blocks drive blade 1 so that it remains in a vertical position to the water flow. This state is shown in Fig. 1 and 2. Since drive blades 1, 2 have a large surface area, openings 12 are necessary as vortex breakers. Small amounts of water flow through openings 12, thereby reducing the water vortex behind the drive blade 1.
Die wirkende Kraft wird von den Antriebsblättern 1 an die horizontale Welle 6 bzw. 7 übertragen und die so verrichtete kinetische Energie wird an einen elektrischen Generator weitergeleitet. Die laminaren Unterwasserströmungen bei Flut und Ebbe haben eine Geschwindigkeit zwischen 4 m/s und 6 m/s. Wenn die Fläche eines Antriebsblatts 20 m2 beträgt, dann wird die Beschleunigungsarbeit W mit der folgenden Gleichung definiert:The force acting is transmitted from the drive blades 1 to the horizontal shaft 6 or 7 and the kinetic energy thus generated is passed on to an electrical generator. The laminar underwater currents at high and low tide have a speed between 4 m/s and 6 m/s. If the area of a drive blade is 20 m 2 , then the acceleration work W is defined by the following equation:
W =W =
Numerisch bedeutet dies, die Beschleunigungsarbeit bei 4 m/s ist 640.000 kg n^/s2 und bei einer Geschwindigkeit von 6 m/s = 1 .440.000 kg rn^/s2.Numerically this means that the acceleration work at 4 m/s is 640,000 kg n^/s 2 and at a speed of 6 m/s = 1,440,000 kg rn^/s 2 .
Es gibt Unterwasserströmungen, deren Geschwindigkeit noch höher ist.There are underwater currents whose speed is even higher.
Vorrichtungen mit horizontaler Welle 6 und 7, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, sind für flache Wasserströmungen anwendbar. Für tiefe Wasserströmungen ist eine Vorrichtung mit einer vertikalen Welle einsetzbar. Fig. 3 und Fig. 4 veranschaulichen eine derartige Lösung. An vertikalen Wellen 13 und 14 ist ebenfalls Zahnriemen 15 befestigt, an dem Antriebsblätter 16 klappbar angeordnet sind. Jedes Antriebsblatt 16 ist mit Öffnugen 17 versehen, deren Funktion dieselbe ist wie die von Öffnungen 12 in Fig. 2. Antriebsblätter 16 sind dann senkrecht gegen die Wasserströmung gerichtet, wenn deren Bewegungsrichtung dieselbe ist wie die der Wasserströmung. Wenn sich Antriebsblätter 16 gegen die Wasserströmung bewegen, dann sind sie, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, durch die wirkende Kraft an den Zahnriemen 15 geklappt.Devices with horizontal shafts 6 and 7, as shown in Fig. 1 and Fig. 2, are applicable for shallow water currents. For deep water currents, a device with a vertical shaft can be used. Fig. 3 and Fig. 4 illustrate such a solution. Toothed belts 15 are also attached to vertical shafts 13 and 14, on which drive blades 16 are arranged in a foldable manner. Each drive blade 16 is provided with openings 17, the function of which is the same as that of openings 12 in Fig. 2. Drive blades 16 are directed perpendicularly against the water current when their direction of movement is the same as that of the water current. When drive blades 16 move against the water current, they are folded by the force acting on the toothed belt 15, as shown in Fig. 3 and 4.
Die Öffnungen 17 in Fig. 3 können, wie in Fig. 2 mit dem Symbol 12 veranschaulicht ist, rektangular oder rund sein. Es ist bekannt, daß Umwandlungsvorrichtungen, die zum Stand der Technik gehören, durch Algen im Meerwasser schwer behindert werden. Die Vorrichtung gemäß der Neuerung hat den Vorteil, daß Algen beim Wenden der Antriebsblätter 1, 2, 16 abfallen. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung gemäß der Neuerung ist die enorm große Fläche der Antriebsblätter 1, 2, 16 , was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt. Nicht zuletzt ist der eingesetzte,The openings 17 in Fig. 3 can be rectangular or round, as shown in Fig. 2 with the symbol 12. It is known that conversion devices belonging to the state of the art are severely hampered by algae in sea water. The device according to the innovation has the advantage that algae fall off when the drive blades 1, 2, 16 are turned. A further advantage of the device according to the innovation is the enormously large surface area of the drive blades 1, 2, 16, which leads to an improvement in efficiency. Last but not least, the used,
hauptsächlich aus Kunststoff bestehende Werkstoff ein großer Vorteil, wodurch die Korrosion im salzigen Meerwasser niedrig gehalten wird.The material, which consists mainly of plastic, is a great advantage as it keeps corrosion in salty sea water to a minimum.
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