DE2434937A1

DE2434937A1 - Unterwasser-stromerzeuger

Info

Publication number: DE2434937A1
Application number: DE2434937A
Authority: DE
Inventors: Jerome Mathias Lesser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-07-20
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1975-07-03
Also published as: IT1016639B; US3912937A; FR2238060A1; JPS5049535A

Description

Die Erfindung betrifft einen Unterwasser-Stromerzeuger, bestehend aus einem elektrischen Generator in einer wasserdichten Zelle und aus einer Turbine zur Erzeugung von elektrischem Strom durch Ausnutzung von Strömungen in offenen und Binnenmeeren, Seen u.dgl.

Man macht sich derzeit große Sorgen angesichts der Tatsache, daß sich die Vorräte an fossilen Brennstoffen, wie z.B. Kohle und Erdöl, rasch erschöpfen und die Erschließung neuer Quellen mit höheren Kosten verbunden ist, so daß sich eine Zeit ankündigt, in der solche Brennstoffe als Energiequelle für Generatoren zur Erzeugung des Gesamtbedarfs an elektrischem Strom nicht zur Verfugung stehen. Die Nutzung der Atomenergie zur Stromerzeugung sieht sich aufgrund- der Umweltverschmutzung und der sich aus dem Betrieb von Kernreaktoren an sich schon ergebenden Gefahr Schwierigkeiten gegenüber. Es bestehen daher derzeit große Sorgen hinsichtlich einer die nationalen Bedürfnisse deckenden ausreichenden Erzeugung von elektrischem Strom, die so weit gehen, daß Untersuchungen über andere Energiequellen, wie z.B. die geοthermische oder die Sonnenenergie, angestellt und

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Versuche zu ihrer Ausnutzung unternommen werden. Jedoch sind mit keiner dieser Quellen zufriedenstellende Ergebnisse erzielt worden, entweder weil die zur Verfügung stehende Technologie unzureichend ist oder weil die Kosten der Umwandlung derartiger Energie in elektrische Energie unerschwinglich hoch sind.

In der Vergangenheit sind Versuche unternommen worden, Flußströmungen als Energiequelle auszunutzen. Diese haben sich jedoch als untauglich erwiesen, sowohl wegen der geringen Elektrizitätsmenge, di,e erzeugt wurde, als auch wegen der Tatsache, daß die Schiffahrt auf den hierzu benutzten Flüssen oder Strömen behindert wurde. Was nicht möglich war, war die wirksame Ausnutzung von Strömungen in offenen und Binnenmeeren, Seen u.dgl. zur Erzeugung von elektrischem Strom, aufgrund der Tatsache, daß derzeit zur Verfügung stehende Vorrichtungen zur Umwandlung solcher Strömungen in elektrische Energie in hohem Maße untauglich sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Unterwasser-Stromerzeuger der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, mit dem sich auf wirtschaftliche und billige Weise die Energie der Meeresströmung in elektrische Energie umwandeln läßt.

Die Lösung der der Erfindung gestellten Aufgabe hat zu einem Unterwasser-Stromerzeuger- der eingangs beschriebenen Gattung geführt, der sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß von einer in Drehung versetzbaren Welle der Turbine mit zweifachem Laufradschaufelwinkel angeordnete Laufradschaufeln ausgehen, daß an den Laufradschaufeln schwenkbar angeordnete Lamellen so angebracht und ausgebildet sind, daß sie unter ständiger Kontrolle durch Wasserströmung sind, und daß zwischen der Welle und dem Generator zum Übertragen der Bewegung der Welle auf den Generator ein Kraftubertragungs-. glied angeordnet ist.

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Fortbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnunge.n eines Ausführungsbexspiels mit weiteren Eizelheiten erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Pig. 1 eine Vorderansicht■im Aufriß einer Ausbildungsform des Unterwasser-Stromerzeugers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht im Aufriß einer Ausbildungsform des Unterwasser-Stromerzeugers nach der - Erfindung,

Fig. 3 eine Schnittansicht, in vergrößertem Maßstab und in einer senkrechten Schnittebene, längs der Linie 3-3 in Fig. 1,.

Fig. 4 eine Vorderansicht in vergrößertem Maßstab der Turbine des Unterwasser-Stromerzeugers nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Schnittansicht, in vergrößertem Maßstab und in einer senkrechten Schnittebene, längs der Linie 5-5 in Fig. 1,

Fig. 6 eine Schnittansicht, in vergrößertem Maßstab und in einer senkrechten Schnittebene, längs der Linie 6-6 in Fig. 1, und

Fig. 7 eine Vorderansicht, in verkleinertem Maßstab, einer Zusatzvorrichtung zur Turbine des Unter-. wasser-Stromerzeugers nach der Erfindung.

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Ein im gezeigten Beispiel in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichneter Unterwasser-Stromerzeuger weist ein Turbinen-Wasserrad oder -Laufrad 11 auf mit rahmenförmigen Laufradschaufeln 12 mit .zwei Neigungswinkeln als Verlängerungen von Speichen 13, die beispielsweise durch Schweißen mit einer Welle 14 und mit Radkränzen 15 verbunden sind. Jede Laufradschaufel weist eine Mehrzahl von schwenkbaren Lamellen 16 auf. Derartige Lamellen müssen bei Verwendung eines metallischen Werkstoffes hohl ausgebildet oder aus einem Leichtmetall hergestellt sein, um leichter als Wasser zu sein, so daß sie, wie, nachstehend naher beschrieben, unter vollständiger Kontrolle der Meeresströmung sind.

Beim gezeigten Beispiel sind die Lamellen 16 hohl ausgebildet und an den Laufradschaufeln 12 über Dreh- oder Zapfenlager 45 angeschlossen, die vorzugsweise aus einem mechanisch festen Kunststoff, beispielsweise aus Tetrafluoräthylen, hergestellt und mit (nicht gezeichneten) Schrauben an der Innenseite der Radkränze 15 und an den Innenseiten der Laufradschaufeln 12 befestigt sind. Anschläge 17 sind so angeordnet, daß sie zur weiteren Stellungsb.eeinflussung und Bewegungseinschränkung- der Lamellen 16 beitragen, die somit bei Bewegung gegen die Strömung eine waagerechte oder offene, bei Bewegung mit der Strömung eine schräge oder senkrechte bzw. geschlossene Stellung einnehmen können. Dies ist am deutlichsten aus Pig. 3 zu erkennen, in der die Meeresströmung mit Pfeilen G angedeutet ist. Aufgrund der in Pig. angegebenen Strömungsrichtung läuft die Turbine im Uhrzeigersinn um. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Lamellen 16 an einer Stelle unterhalb des Mittelpunktes der Welle, an der die Laufradschaufeln angebracht sind, eine Schließstellung einnehmen, so daß die beste Ausnutzung der Energie aus der Strömung möglich ist.

Die Welle 14 ist in zwei Dreh- oder Zapfenlagern 18 festge-. halten, die vorzugsweise aus Kunststoff, beispielsweise aus Tetrafluoräthylen, hergestellt und ihrerseits mit

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Schrauben 19 an einem gegabelten Gestell 20 befestigt sind. Das Gestell ist mit Schrauben 21 sicher an einer Tragkon-" struktion 22 gehalten, die vorzugsweise entweder aus Metall oder aus Beton hergestellt ist. An der Oberseite jedes Zapfenlagers 18 befindet sich eine Anhängeöse 26, um das Herausheben des gesamten Turbinen-Laufr'ad-Aggregates 11 an die Wasseroberfläche zu Reparatur- und/oder Austauschzwecken zu erleichtern. Unter Verwendung der Anhängeösen 26 lassen sich auch die Kunststoff-Zapfenlager 18 wegnehmen.

Bei der Demontage wird zuerst mit Hilfe eines im Innern der Gestellkonstruktion angeordneten kraftbetätigten Antriebs eine gesteuerte Abweisplatte 23 angehoben. Diese schirmt das Turbinen-Laufrad 11 gegen die Strömung ab und bringt es dadurch zum völligen Stillstand. Zum Aufheben der Verbindung kann dann eine Kupplung 25 gelöst werden. Nachdem dann beispielsweise Seile um die Radkränze 15 gelegt worden sind und die Zapfenlager 18 gelöst wurden, kann das Laufrad leicht angehoben und die Zapfenlager ausgewechselt werden. Es leuchtet ein, daß nach dem Auswechseln der Zapfenlager 18 das Laufrad 11 lediglich wieder eingesetzt und nach der Kupplung neu ausgerichtet werden muß«, Das Turbinen-Laufrad 11 läßt sich durch Aushaken der Verbindung in der beschriebenen Weise ebenfalls wegnehmen.

In einer abgedichteten Zelle 27 sind ein Generator 28 und ein Getriebe 29 untergebracht, die sich beide am Boden 40 der Zelle 27 abstützen. Die Zelle ist ihrerseits mit Mßen 30 an der Gestell-Tragkonstruktion 22 befestigt, wobei unter ihr ein offener oder freier Bereich 31 verbleibt, der der Strömung keinen Widerstand entgegensetzt. Als Zugang zur abgedichteten Zelle 27 dient ein Bedienungsgang 32 mit Luftschleuse. Kleinere Reparaturen lassen sich selbstverständlich in der abgedichteten Zelle 27 ausführen^ ohne daß diese von ihrem Platz fortgenommen werden brauchte Im Falle größerer Reparaturen oder erforderlich gewordenen Austausche

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läßt sich die gesamte abgedichtete Zelle 27, genau wie das Turbinen-Laufrad 11, an ihren Aufhängeösen 33 an die Wasseroberfläche heben. In diesem Falle wird die Kupplung 25 gelöst, Seile an den Anhängeösen 33 der abgedichteten Zelle 27 angebracht und der elektrische Leiter 34 abgetrennt und mit einer Schutzkappe versehen. Sodann wird die abgedichtete Zelle 27 von der Gestell-Tragkonstruktion 22 gelöst und an die Wasseroberfläche gehoben, während eine andere komplette abgedichtete Zelle 27 auf ihren Platz abgesenkt wird.

Wie am deutlichsten in Fig. 1 und 2 zu erkennen, sind in den Grund Pfähle 35 eingerammt, auf die der gesamte Unterwasser-Stromerzeuger 10 von der Wasseroberfläche aus abgesenkt, aufgesetzt und befestigt wird. Für das Abschleppen des gesamten Unterwasser-Stromerzeugers 10 zu seinem Einsatzort und zu seinem Absenken auf die Pfähle 35 und Hochheben von diesen sind Schleppösen 36 vorgesehen.

Es sei nun auf Fig. 3 verwiesen. Die sich innerhalb des Radkranzes 15 befindenden hohlen, schwimmfähigen und schwenkbaren Lamellen 16 der Laufradschaufel 50 sind geöffnet, während die hohlen, schwimmfähigen und schwenkbaren Lamellen 16, die außerhalb der Radkränze 15 angeordnet sind, eine Schließstellung einnehmen, dadurch der Strömung eine schräge Widerstandsfläche entgegensetzen und diesen Teil des Turbinen-Laufrades 11 zwingen, von einer Stelle oberhalb der Mittellinie der Welle 14 aus nach unten, d.h. im Uhrzeigersinn, zu drehen. Gleichzeitig sind an einer genau unterhalb des Mittelpunktes der Welle 14 stehenden Laufradschaufel 51 die sich innerhalb der Radkränze 15 befindenden hohlen, schwimmfähigen und schwenkbaren Lamellen 16 geschlossen, während die außerhalb liegenden hohlen, schwimmfähigen und schwenkbaren Lamellen 16 eine Offenstellung einnehmen, dadurch der Strömung eine schräge Widerstandsfläche entgegensetzen und diesen Teil des Turbinen-Laufrades 11 zwingen, nach oben, d.h. im Uhrzeigersinn, zu drehen.

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Da sich die äußeren Teile der Laufradschaufeln 12 schneller durch das Wasser "bewegen als die inneren Teile, öffnen sich die hohlen, schwimmfähigen und schwenkbaren Lamellen 16 um einen geringen Betrag, so viel wie zur Entlastung von Rückdruck notwendig ist, und erhöhen dadurch den Wirkungsgrad des Turbinen-Laufrades 11.

Pig. 5 und 6 zeigen bevorzugte Ausbildungsformen der hohlen, schwimmfähigen und schwenkbaren Lamellen 16, die relativ zueinander so angeordnet sind, daß sich bei jeder an ihrer Berührungsstelle mit einer anderen Lamelle eine Ausnehmung befindet, so daß die Strömung nicht anders kann, als die Lamellen in einer Schließstellung zu halten.

In I"ig. 4 ist mit einem schraffiert gezeichneten Bereich 37 der geschlossene obere Teil des Turbinen-Laufrades 11 dargestellt, der der Strömung Widerstand entgegensetzt, während mit einem unschraffiert gezeichneten Bereich 38 der untere Teil des Turbinen-Laufrades 11 dargestellt ist, welcher offen ist und dadurch der Strömung freien und unbehinderten Durchgang gewährt, wodurch Drehung des Turbinen-Laufrades 11 im Uhrzeigersinn bewirkt wird. Bei Umkehrung der Strömungsrichtung würde sich der untere Teil 38 des Turbinen-Laufrades 11- schließen und der obere Teil 37 öffnen, was bewirken würde, daß sich das Turbinen-Laufrad' 11 weiter in der gleichen Richtung, nämlich im Uhrzeigersinn, dreht.

Ist mit Schwierigkeiten durch Schwebstoffe großer Abmessungen zu rechnen, so wird hiervon nur der offene, in unserem Falle der untere Teil des Turbinen-Laufrades 11 betroffen, da sich solche Stoffe festsetzen wurden während der Zeit, in der die hohlen, schwimmfähigen und schwenkbaren Lamellen 16 in ihre Schließ Stellungen zurückkehren. Um hier Abhilfe zu schaffen, läßt sich vor und nahe des unteren Teils des Turbinen-Laufrades 11 zum Auffangen aller derartigen großen Stoffteilchen eine in Fig. 7 dargestellte Vorrichtung 39 mit

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einer Reihe senkrecht aufgehängter Teile 41 anhängen. Alle Schwebstoffteilchen, die mit dem oberen, geschlossenen Teil des Turbinen-Laufrades in Berührung kommen, kommen frei, sobald die Lamellen in eine Offenstellung zurückgehen. Auf diese Weise wird das Funktionieren des Turbinen-Laufrades 11 durch eine solche Vorrichtung nicht gestört.

Sollte zu irgendeinem Zeitpunkt Wasser in die abgedichtete Zelle 27 eindringen, betätigt ein Feuchtefühler 42 den kraftbetätigten Antrieb 24 und hebt dadurch die Steuerabweisplatte 23 an, um das Turbinen-Laufrad 11, das Getriebe 29 und den elektrischen Generator 28 stillzusetzen und die Erzeugung jeglicher elektrischer Energie zu unterbrechen. Sollte aus irgendeinem anderen Grunde die gesamte Anlage stillgesetzt werden müssen, so kann dies mit gekapselten bzw. abgedichteten Schaltern 43 und 44 erfolgen.

Vorzugsweise sind alle Teile des Laufrades 11 mit einem Mittel beschichtet, das Meerwasserbewuchs verhindert. Verwendbar sind alle Mittel, die für diesen Zweck gewöhnlich in Frage kommen, wie z.B. Schiffsfarben. Besonders wirksam sind solche Beschichtungsmittel, die zur Verhinderung von Meerwasserbewuchs langsam Bioeide freisetzen.

Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang mit der Verwendung von Pfählen zur Befestigung des Stromerzeugers am Meeresboden beschrieben wurde, ist es im Rahmen der Erfindung möglich, zur Vertäuung einer schwimmfähigen Version des Stromerzeugers 10 Verankerungsseile zu verwenden, die an Sockeln am Meeresgrund festgemacht sind. Der Stromerzeuger 10 läßt sich mit Hilfe herkömmlicher Schwimmtanks schwimmfähig machen. Die Verankerungsseile können beliebig lang gemacht sein, so daß sich der schwimmfähige Stromerzeuger in jedem beliebigen gewünschten Abstand über dem Meeresgrund in Stellung bringen läßt, um die günstigsten und zweckmäßigsten Strömungsverhältnisse ausnutzen zu können. Bei einer

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derartigen Ausbildungsform werden zuerst am Meeresgrund geeignete Sockel verankert, an denen ein Ende der mit zweckmäßiger Länge ausgeführten Verankerungsseile befestigt werden kann, während das andere Ende der Seile am Stromerzeuger zu dessen Vertäuung festgemacht ist.

In der vorstehenden Beschreibung wurde die Bewegung des Laufrades als "im Uhrzeigersinn" erfolgend beschrieben. Selbstverständlich kann diese Bewegung bei Bedarf auch im Gegenuhrzeigersinn erfolgen.

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ANSPRÜCHE

M J Unterwasser-Stromerzeuger, bestehend aus einem elektrischen Generator in einer wasserdichten Zelle und aus einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß von einer in Drehung versetzbaren Welle (14) der Turbine mit zweifachem Laufradschaufelwinkel angeordnete Laufradschaufeln (12) ausgehen, daß an den Laufradschaufeln (12) schwenkbar angeordnete Lamellen (16) so angebracht und ausgebildet sind, daß sie unter ständiger Kontrolle durch Wasserströmung sind, und daß zwischen der Welle (14) und dem Generator (28) zum Übertragen der Bewegung der Welle (14) auf den GeiBrator (28) ein Kraftübertragungsglied (29) angeordnet ist.
2. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (11,12,13,14,15,16) der Turbine mit einem Meerwasserbewuchs verhindernden Mittel beschichtet sind_o
3. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine verstellbare Abweisplatte (23) so angeordnet ist, daß sie zur Beeinflussung der Strömungswirkung auf die Turbine in eine Stellung, in der sie die Turbine vor der Strömung abschirmt, und aus dieser heraus verstellbar ist.
4. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Laufradschaufel (12) ' wenigstens zwei Lamellen (16) aufweist, die sich verriegeln, sobald sie durch die Wirkung der Wasserströmung zur Anlage an der Laufradschaufel (12) gebracht sind.

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5. Stromerzeuger nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungsglied (29) ein an die Welle (14) angekoppeltes Getriebe (29) ist.
6. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Laufradschaufeln (12) und die Lamellen (16) so ausgebildet sind,daß jene Lamellen (16), die an einer Stelle unmittelbar unterhalb der Mittellinie der Welle (14) geschlossen sind, in dieselbe Eichtung gedrängt sind wie die Laufradschaufeln (12), die sich oberhalb der Mittellinie der Welle (14) befinden.
7. Stromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6_r dadurch gekennzeichnet , daß die Laufradschaufeln (50) im Abstand voneinander angeordnete dreiecksförmige Rahmen (12), von denen der längste Schenkel etwa radial zur Turbinenwelle steht, aufweisen und daß die Lamellen (16) jeweils zwischen den hinteren Schenkeln parallel -zur Drehachse derart mit Überlappung der Spitzen jalousieartig gelagert sind, daß sie bei Ausströmung aus der dem Dreiecksmittelpunkt zugewandten Seite sich in Richtung der hinteren Schenkel ausrichten und eine Schaufelfläche bildend aneinanderlegen (Fig. 3, obere Hälfte) und bei Ausströmung in Richtung auf die Außenseiten der kürzeren Schenkel sich in Strömungsrichtung parallel zueinander stellen (Fig. 3, untere Hälfte).

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