DE2406756A1

DE2406756A1 - Hydroelektrischer wellengenerator

Info

Publication number: DE2406756A1
Application number: DE19742406756
Authority: DE
Inventors: Harald Dr Ing Kayser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-02-13
Filing date: 1974-02-13
Publication date: 1975-05-15

Description

Hydroelektrischer Wellengenerator Die natürlichen Energiequellen der Erde werden in unterschiedlichem Maße genutzt, wobei die leicht ausnutzbaren Energiequellen hoher leistung durch Wasserkraftwerke weitgehend erschlossen sind,trotzdem aber z.b. in der BRD nur ca.2,2% der gegenwärtig benötigten Primärenergie erzeugen.
Weitere natürliche Energiequellen werden gegenwärtig nicht oder nur in Sonderfällen genutzt,wie z.B. die Sonnen-oder windenergie und die Erdwärme. geothermische Energie ) Eine weitere Snergieform steht in Borm der Wellenbewegung der freien Wasseroberfläche der Innere und Ozeane in großen Mengen zur verfügung,wobei zwischen den Gezeitenwellen und den windangeregten Neereswellen zu unterscheiden ist.Die Ileereswellen stauen sich an Ufern und in buchten auf;ein iiechanismus,der auf kompliziertesten Resonanzerscheinungen beruht.Die Gezeitenwelle staut sich an einigen Küsten bis zu einer Höhe von 12 m und darüber auf, währen sie auf dem freien Ozean knapp 0,5 m hoch wird. Die Energie der Gezeitenwellen läßt sich in Gezeitenkraftwerken mit Hilfe spezifisch schnellaufender xaplanturbinen in elektrischen Strom umwandeln.
wusch die Energie der winderregten Meereswellen läßt sich in eine technisch nutzbare Form überführen,wie z.b.in Heulbojen, bei denen die Vellen Luft aus einem Rohr verdrängen und hierdurch eine Pfeife zum Schwingen anregen, die Luft läßt sich aber auch durch eine Turbine leiten und hierdurch in mechanische Arbeit umwandeln.
Die vorliegende Erfindung umfaßt Gerätem, mit denen sich die dellenenergie zunächst in Druckwasser und dann mit Hilfe von asserturbinen oder Hydromotoren in elektrischen Strom umwandeln läßt.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Geräte werden im folgenden als "nydroelektrischer Wellengenerator" bezeichnet, unabhängig davon,wie das erzeugte Druckwasser verwendet wird; zO. Meerwasserentsalzung durch umgekehrte Osmose usw.-s.u.
Erfindungsgemäß kann der Hydroelektrische Wellengenerator sowohl zur Energieversorgung von frei auf der Wasseroberfläche schwimmenden Gegenständen,wie autonome Meßstationen, Leuchttonnen usw. verwendet,als auch fest am Meeresgrund installiert betrieben werden. In beiden Fällen bewirkt die über den Hydroelektrischen Wellengenerator hinwegwandernde Welle Schwankungen des Wasserdruckes'die erfindungsgemäß zur Energiegewinnung ausgenutzt werden. Der eydroelektrische Wellengenerator braucht an der bewegung der Wasseröberfläche nicht teilzunehmen und ist auch in voll getauchtem ustand funktionsfähig. Dieser gesichts punkt ist besonders wichtig,da keine Deschädigungen durch randung und brecher verursacht werden können.
Die Wirkungsweise des Hydroelektrischen Wellengenerators besteht gemäß Fig 1,in der die frei schwimmende version zur Energieversorgung von Bojen dargestellt ist, darin, daß ein großer Kolben (1) den mit Meerwasser gefüllten Raum (6) - Zylinder -gegen das Innere des iiydroelektrischen Wellengenerators, insbesondere gegen den luft- oder gasgefüllten Raum (7) abdichtet.
Schwankender Wasserdruck im Raum (6) bewirkt demzufolge eine wechselnde Kraft an dem Kolben (1). Im Ruhezustand'also bei glatter See,muß der Druck innerhalb des Raumes (7) dem statischen Wasserdruck an der Unterseite des Kolbens (1) entsprechen. Der Kolben (1) kann sich hierbei in Mittelstellung oder im unteren Totpunkt befinden. Nimmt der Wasserdruck in (6) zu, bewegt sich der Kolben (1) aufwärts. Hierdurch wird aber auch der mit (1) verbundene kleinere Kolben (2) aufwärts bewegt, wodurch Wasser von (8) nach (12) gepumpt wird,indem das Ventil (22) schließt und (21) öffnet. Die im Raum (7) befindliche Druckluft wird gleichzeitig verdichtet,ebenso das über dem Trennkolben (13) befindliche Druckgas (14). Wandert der Wellenberg weiter,vollzieht sich im Wellental der umgekehrte vorgang.
Die Luft in (7) steht jetzt unter einem höheren Druck,als das Wasser in (6),so daß der Kolben (1) abwärts getrieben wird.
hierdurch saugt der Kolben (2) Wasser aus (8) an,indem das Ventil (22) öffnet und ventil (21) schließt. Das vom Kolben (1) verarbeitete Meerwasser strömt dabei durch die Öffnungen (19), die auch als Gitterrost ausgebildet sein können und die Aufgabe haben,den Kolben (1) und die Dichtung (15) vor beschädigungen zu schützen.Im Wechselspiel von Wellenberg und Wellental fördert demzufolge der Kolben (20 die Arbeitsflüssigkeit im geschlossenen Kreislauf von (8) nach (12) gegen den Druck von (14). Im Raum (12) wird das Druckwasser gespeichert und strömt durch die Düse (11) auf die Schaufeln des lurbinenrades (99, das unmittelbar auf der Welle eInes in Fig.1 von (9) verdeckten Gleich-,Dreh- oder Wechselstromgenerators montiert sein kann.
Die Arbeitsflüssigkeit (12) sammelt sich nach dem durch die turbine (9) vollzogenen Energieentzug in (8) um dann,wie oben beschrieben,ständig wieder im geschlossenen Kreislauf verwendet zu werden.Aus diesem Grunde kann eine beliebige Arbeitsflüssigkeit wie z.B. destillertes Wasser, Alkohol usw. eingesetzt werdender von der turbine (9) und dem angekoppelten Generator erzeugte elektrische Strom wird von Akkumulatoren in (5) gespeichert. Diese Akkumulatoren dienen gleichzeitig als ballastmasse,um die trägheit des frei schwimmenden Hydroelektrischen Wellengenerators zu vergrößern. Reicht diese Nasse nicht aus oder können aus wirtschaftlichen Gründen nicht so viele Akkumulatoren verwendet werden,läßt sich die träge Masse des Hydroelektrischen Wellengenerators durch einen dünnwandigen Behälter vergrößern,der mit Süß-oder Meerwasser (4) gefüllt ist. Dieser behälter kann extrem dünnwandig oder auch aus einer flexiblen Membran (z.i3. gewebeverstärkte Kunststofffolie) bestehen,wenn er unter einem ausreichenden Innendruck steht. Dieser Innendruck kann sich bei Süßwasserfüllung durch den osmotischen Druck des Meerwassers von selbst aufbauen.
Die Massenträgheit des Hydroelektrischen Wellengenerators muß ausreichend groß sein,um eine möglichst geringe Eigenfrequenz zu gewährleistensdamit der frei schwimmende Hydroelektrische Wellengenerator den Bewegungen der Wasseroberfläche nicht folgt und demzufolge die erforderlichen Druckschwankungen in (6) auf der Unterseite des Kolbens (1) entstehen.
Die Kolben (1),(2) und (13) sind mit Rollschlauchdichtungen (15),(16) und (17) abgedichtet, lassen sich aber auch mit Gleitdichtungen, Labyrinthdichtungen mit Wasser-oder Luftvorlage und Flachmembranen oder Faltenbälgen abdichten. Die Rollschlauchdichtungen (15),(16) und (17) sind mit einer frostsicheren Flüssigkeit (18) gefüllt, deren Druck einerseits die Funktion der Dichtung überhaupt esst ermöglicht,andererseits eine Fernkontrolle der Funktionsfähigkeit der Dichtung durch Telemetrie gestattet. Eine zusätzliche Führung der Kolben durch Gleit-oder Wälzlager (20) ist möglich.
weben der Verwendung von Druckgas oder -luft zum Füllen der Räume (10) und (14) ist auch die Füllung mit dem Dampf einer geeigneten Flüssigkeit möglich. Raum (10) läßt sich durch Svakuieren mit dem Dampf der Arbeitsflüssigkeit (8) füllen. Der aaum (140 kann evakuiert und mit einer dem erforderlichen Druck entsprechend niedrig siedenden Flüssigkeit, z.D. Ammoniak oder einem der bekannten Fluor-Chlor-Kohlenstoffe (sog.Sicherheitstreibgasey gefüllt werden. Die Dampffüllung der räume (10) und (14) bewirkt einen vom Füllgrad des Raumes (12) und des gasförmigen Rauminhalts der Räume (10) und t14) unabhängigen Arbeitsflüssigkeitsdruck und damit einen gleichbleibenden Wirkungsgrad der Turbine.
Neben dem schwimmenden Hydroelektrischen Wellengenerator gemäß Fig.1 ist gemäß Fig.2 auchd die Energiegewinnung aus Neereswellen mit stationären Anlagen wesentlich größerer Abmessungen nach dem gleichen Prinzip möglich.
Din stationärer nydroelektrischer Wellengemerator besteht gemäß Fig.2 aus einem Kolben (34), der mit Rollschlauch- oder.
Membrandichtungen aber auch mit flüssigkeits- oder gasgesperrten Labyrinthdichtungen (45) gegen den Zylinder (33) abgedichtet ist. Der Zylinder (33) ist mit einem Sockel (31) verbunden, der eine Vielzahl von schräg nach oben laufenden oder senkrechten oder waagerechten Öffnungen (32) enthält, durch die Meerwasser mit dem dem wasserstand (48) entsprechenden Druck in das Innere des Zylinders (33) gelangt und nach der Znergieabgabe auch wieder ausströmt. @at der Wasserspiegel (48) auf dem Wlelenberg die dem Luftdruck im Raum (47) entsprechende Höhe überschritten,bewegt sich der Kolben (34) aufwärts, wodurch der von oben in den Kolben (34) hineinragende,feststehende tlohlkolben (44) wasser durch das Ventil (40) und die Hohrleitung (41) in das hochliegende Speicherbecken (42) pumpt. Der Llydroelektrische Wellengenerator pumpt Meerwasser vom Wasserstand (48) auf einen wesentlich höheren Wasserstand (49). Die iiöhendifferenz zwischen (49) und (48) entspricht der nutzbaren Fallhöhe, die zur Umwandlung des Speicherwassers in (42) wahlweise in mechanische Arbeit oder in elektrische Energie in Turbinen zur verfügung steht. Diese ilöhendifferenz läßt sich dadurch vergrößern, daß die Turbinen nur bei Ebbe laufen. Diese betriebsweise würde einer Kombination aus stationärem Hydroelktrischen Wellengenerator und Gezeitenkraftwerk entsprechen.
Im wellental bewegt sich der Kolben (34) nach unten,wobei das Ventil (40) schließt und das ventil (39) öffnet und durch den hohlkolben (44) Meerwasser durch die Leitung (38) angesaugt wird. Ist Süßwasser in der Nähe, kann durch die entsprechend verlängerte Leitung (38) auch Süßwasser - z.B.aus einem brunnen - angesaugt und somit z.B. für Bewässerungszwecke gepumpt werden. Der Kolben (34) kann entweder durch sein Eigengewicht oder durch den Luftdruck im ringförmigen Raum (47J in seinen unteren lltotpunkt zurückgetrieben werden. Da beim stationären Hydroelektrischen Wellengenerator gemäß Fig.2 die Meereswellen von den Flutwellen überlagert werden,würde der kolben (34) bei Flut ständig im oberen Totpunkt, bei Ebbe ständig im unteren totpunkt verweilen,wenn der Gezeiteneinfluß nicht kompensiert werden würde. Diese Kompensation ist gemäß Fig.2 z.B. dadurch möglich, daß Luft durch ein Rohr (37y angesaugt wird und nach dem Komprimieren in den Raum (47) geleitet wird. Der Luftdruck im Rohr (36) und damit im Raum (47) stellt sich durch einen einfachen berstrommechanismus (35) auf die jeweils erforderliche nöhe von selbst ein. Ein Eindringen von Wasser in (35) wird durch ein Kugelrückschlagventil verhindert. Da das Rohr (36) sehr dünn ist,werden nur Druckschwankungen mit langer Periodendauer ausgeglichen, während die kurzzeitingen Druckschwankungen durch Meereswellen wirkungslos bleiben. eben dieser einfachen Überströmregelung sind selbstverständlich sämtliche bekannten Druckmaß-und Regelungsgeräte verwendbar. Druckluft oder elektrische Hilfsenergie können wahlweise durch eine kleine Hilfsturbine erzeugt oder extern bezogen werden. Je nach der@Eschaffenheit der Küste und der Größe und höhe der Speicherbecken, also der Möglichkeit, das erzeugte Druckwasser lang-,kurzfristig oder überhaupt nicht speichern zu können,lassen sich verschedene geeignete @erwendungszwecke der Wellenergie unterscheiden. Ist keine Speichermöglichkeit vorhanden,läßt sich entweder Siinwasser zur Bewässerung pumpen oder Meerwasse durch umgekehrte Osmose entsalzen. Bei kurzfristiger Speichermöglichkeit läSt sich Strom für Elektrolyseprozesse und bei langfristiger Speichermöglichkeit elektrischer Strom zum abdecken des Spitzenbedarfes erzeugen. weitere Anwendungsmöglichkeiten sind in den nachfolgenden Patentansprüchen enthalten.

Claims

Patentansprüche: 9 nydroelektrischer Wellengenerator,dadurch gekennzeichnet, daß der unterhalb der Wasseroberfläche vorbeiwandernder ileereswellen sich periodisch ändernde Wasserdruck einen

Kolben in bewegung b @setzt, der mit einem gleich großen oder einem kleineren Kolben verbunden ist und Gase oder Flüssigkeiten verdrängt, die je nach dem Flächenverhältnis der beiden Kolben zueinander den gleichen oder einen höheren Druck annehmen,als das wasser in der vielle.

2.- iiydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnetm daß sich das Druckmedium ( Gase oder Flüssigkeiten ) sofort verarbeiten aber auch kurz- oder langfristig speichernl läßt,wobei herkömmliche Blasen- oder Membranspeicher gleichermaßen angewendet werden können wie hochliegende Speicherbecken großen Fassungsvermögens aber auch die Oberwasserbecken vorhandener Pumpspeicherwerke.

3. - Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet,daß das Druckmedium,insbesondere aber Druckwasser spezifisch langsam laufende, hochtourige asserturbinen ( Francis- oder Peltonturbinen ) oder aber auch Flügelzellen- und Taumelscheiben-Hydromotoren mit direkt oder über ein Getriebe gekuppelten Stromgenerator antreibt.

4.- Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennseichnet,daß das erzeugte Druckmedium,sofern es sich hierbei um Salzwasser oder Brackwasser handelt unmittelbar durch umgekehrte Osmose entsalzt werden kann.

5.- Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,daß dieser sowohl frei schwimmend auf der Wasseroberfläche als auch stationär an Küsten betrieben werden kann.

6.- Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß das Innere des Wellengenerators ein geschlossenes System bildet und nicht mit Meerwasser in Berührung zu kommen braucht,wodurch eine Vielzahl von Korrosionsproblemen entfällt.

7.- dydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,daß das Druckmedium bzw.die Arbeitsflüssigkeit insbesondere Süßwasser mit Frost- und Xostschutzmitteln aber auch beliebige andere Flüssigkeiten sein kann,wobei der jeweilige Gefrierpunkt auf die Umgebungstemperatur abgestimmt sein muß.

8.- Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,daß die Kolben durch reibungsarme und hermetische Kolbendichtungen'insbesondere Rollmembran-, Rollschlauch-, Flachmembran und Labyrinthdichtungen abgedichtet sind,oder aber durch beliebige andere Dichtungen.

9.- Rydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,daB seine Funktion auch und gerade in voll getauchtem Zustand ohne Verbindungen zur Atmosphäre gewährleistet ist und hierdurch Beschädigungen durch Brandung oder Brecher ausgeschlossen sind.

10. -Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben durch Eigengewicht, Feder- oder Gasdruck in ihre Ausgangslage zurückgeführt werden und hierdurch insbesondere das verarbeitete Wasser aus dem Wellengenerator in das Meer zurückströmt.

11.-Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,daß der Raum über den Kolben und über der Arbeitsflüssigkeit auch mit Dampf einer entsprechend niedrig siedenden Flüssigkeit gefüllt sin kann und dieser Dampf gesättigt ist und mit der entsprechenden Flüssigkeit im Gleichgewicht steht.

12. -Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet,daB die Turbinen durch den konstanten Druck im hydrospeicher oder im Hochwasserbecken immer im optimalen Drehzahlbereich laufen,so daß hierdurch der Gesamtwirkungsgrad gesteigert wird.

13.-Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,daß mehrere Wellengeneratoren mit nur einer zentralen turbine verbunden sein können um z.b.

auch ohne Druckwasserspeicher zu einem ausgeglichenen und gleichmäßigen Volumenstrom zu kommen.

14.-fiydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,daß der Wellengenerator mit Pumpspeicherwerken oder Gezeitenkraftwerken kombiniert werden kann.

15. -Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet'daß das erzeugte Druckwasser auch einfach durch eine Düse senkrecht nach oben über der Wasseroberfläche austritt und somit ein künstlicher Geysir entsteht.

16 -Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Strom für beliebige zwecke aber insbesondere für Meerwasserentsalzung, Elektrolyse, Bewässerung sowie Beleuchtung von festen und schwimmenden See zeichen und zur Energieversorgung von autonomen Meßstationen verwendet werden kann.

17. -Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Süßwasser aus brunnen oder Flüssen und Seen für Dewässerungszwecke gepumpt wird.

180-Iiydroelektrischer Wellgenerator nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,daß der Gezeiteneinfluß bei dem stationären Wellgenerator durch Anpassen des Luftdruckes im Inneren des großen Zylinders(47) an den mittleren Wasserdruck an den Eintrittsöffnungen(32) ausgeglichen wird.

19.-Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet,daß das erzeugte Druckwasser eine dasserturbine antreibt,die an eine Wasserwirbelbremse angeschlossen ist,so daß die mechanische Energie in Wärme umgewandelt wird und z.B. als llarm-oder Heißwasser zum Heizen von Wohnungen oder Treibhäusern genutzt werden kann oder daß in der Wasserwirdbelbremse Salzwasser unter Druck auf so hohe Temperaturen erwärmt wird'daß es durch einen mehrstufigen Entspannungsverdampfungsprozeß entsalzt werden kann0 20.-Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnetm daß der Wellengenerator auch in andere Geräte eingebaut werden bzw. Teil dieser Geräte sein kann; z.B. in beinen von bohrinseln,insbesondere bei sogenannten ilalbtauchern.

21. -Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet,daß der Wellengenerator lediglich als Dämpfungselement eingesetzt werden kann und die Energie durch Verwirbeln vernichtet wird.

22.-Hydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet,daß der Wellengenerator als auftriebsverminderndes Element eingesetzt werden kann,ohne daß hierbei eine Druckflüssigkeit erzeugt wird.

230-liydroelektrischer Wellengenerator nach Anspruch 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet,daß seine Nasse durch einen dünnwandigen mit Süß-oder Meerwasserr gefüllven Behälter vergrössert werden kann,der aus Blech oder gewebeverstärkter Folie bestehen kann, 24. -Hydroelektrischer ellengenerator nach Anspruch 1 und 23, dadurch gekennzeichnet,daß sich der Druck im behälter aus gewebeverstärkter Folie durch den osmotischen Druck aufbaut und konstant bleibt,wenn das Wasser im behälter einen höheren Salzgehalt aufweist als das umgebende Wasser.

25. -Hydroelektrischer Wellengenerator nach anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet,daß der Wellengenerator aus beliebigen werkstoffen aber insbesondere aus Aluminium, Stahl, GFK ( glasfaserverstärkter Kunstsoff) oder beton hergestellt werden kann.