DE4205160A1 - Stromerzeugungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsanlage zur Nutzung der Auftriebskraft des Wassers, insbesondere kleiner Flüsse und Bäche sowie von Meereswellen.

Es sind Wasserkraftwerke bekannt, welche die potentielle Energie aufgestauten Wassers zur Erzeugung einer anderen Energieart - die zumeist elektrische Energie ist - ausnutzt. Dabei fließt vom Oberwasser Treibwasser zum unteren Wasser und durchströmt eine Wasserturbine, welche die zunächst potentielle Energie des Wassers in mechanische Energie um­ formt. Ein mit dieser Wasserturbine direkt oder über ein Ge­ triebe gekuppelter elektrischer Generator formt diese me­ chanische Energie in elektrische Energie um. Abgesehen davon, daß für derartige Stromerzeugungsanlagen umfangreiche Bau­ werke und auch beträchtliche Wassermengen erforderlich sind, lassen sich derartige Kraftwerke jedoch in Abhängigkeit von der Geographie nicht an beliebigen Stellen errichten.

Außerdem ist es auch bekannt, kleine Wasserläufe zur Energie­ ausbeute mittels Wasserrädern zu nutzen, wie dies am Anfang der Industrialisierung üblich war. Allerdings sind die dabei nutzbaren Energiemengen nach heutigen Maßstäben sehr gering.

Aufgabe der Erfindung ist es, Stromerzeugungsanlagen zu schaffen, die mit relativ kleinen Wassermengen unter Aus­ nutzung großer Kräfte betrieben werden können. Diese Auf­ gabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Becken ein Schwimmer vertikalbeweglich angeordnet ist, der vom Becken mit seitlich geringem Spiel umschlossen ist, und dem Becken einerseits über eine verschließbare Einlaß­ öffnung Wasser zuführbar ist, das andererseits über eine absperrbare, tiefer als die Einlaßöffnung angeordnete Auslaßöffnung ableitbar ist, wobei der Schwimmer über eine Getriebeeinheit mit einem Generator kuppelbar ist. Da der Abstand zwischen Beckeninnenwand und Schwimmeraußenwand relativ gering ist, wird auch eine geringe Wassermenge zur Umspülung des Schwimmers benötigt. Die Auftriebskraft ist jedoch unabhängig von der den Schwimmer umspülenden Wassermenge, und es ist nur dafür zu sorgen, daß ein ge­ nügend hoher Wasserstand im Becken erzielbar ist, um einen nutzbaren Schwimmerhub zu erzeugen. Dabei läßt sich dieser Schwimmerhub durch einen Trick vergrößern, indem nämlich der Schwimmer im Bereich seiner Oberseite eine nach innen zurückspringende Seitenwandung aufweist, deren Rücksprung unterhalb des Wasserstandes liegt, bei dem der Schwimmer seine Hubbewegung infolge der Auftriebskraft beginnt. Da­ durch wird einerseits die Auftriebsbewegung gebremst und andererseits infolge der Wasserverdrängung bei der Aufwärts­ bewegung des Schwimmers ein größerer Schwimmerhub erreicht. Es versteht sich, daß das Becken sowohl eine Einlaßöffnung als auch eine Auslaßöffnung aufweisen muß. Dabei ist die Einlaßöffnung in dem Moment zu schließen, wenn der Schwimmer seine Auftriebsbewegung beginnt. Dies läßt sich durch einen vom Wasserstand im Becken steuerbaren Schieber erzielen. Nach Erreichen der Hubendlage des Schwimmers ist die Aus­ laßöffnung des Beckens sofort zu öffnen, und zwar derart, daß das Wasser möglichst schnell aus dem Becken entweichen kann. Zu diesem Zweck ist die Auslaßöffnung von einer groß­ flächigen Klappe verschlossen, deren Öffnungsbeginn durch das Hubende des Schwimmers bestimmt ist. Nach dem Ab­ fließen des Wassers aus dem Becken ist sofort der Schieber der Einlaßöffnung offen zu fahren und die Klappe der Aus­ laßöffnung zu schließen, so daß ein neuer Turnus beginnen kann, weil mit fallendem Wasserstand im Becken auch der Schwimmer abgesenkt wurde. Zur Nutzbarmachung der auf­ triebsbedingten Hubbewegung des Schwimmers ist die Ge­ triebeeinheit aus einer mit dem Schwimmer bewegbaren Zahn­ stange und einem damit kämmenden Ritzel sowie einem nach­ geschalteten Getriebe gebildet, wobei zwischen Ritzel und Getriebe eine Freilaufkupplung geschaltet ist, und die Ge­ triebeeinheit in Drehverbindung mit dem Generator steht. Dabei dient die Freilaufkupplung dazu, die Absenkbewegung des Schwimmers nicht auf das Getriebe bzw. den Generator wirken zu lassen.

Zur Füllung des Beckens dienen relativ geringe Wassermengen, wie sie beispielsweise in kleinen Flüssen oder Bächen zur Verfügung stehen. Es ist jedoch auch denkbar, die Wasser­ menge von Meereswellen für die Auftriebsbewegung eines derartigen Schwimmers zu nutzen. Zu diesem Zweck ist das Becken mit dem darin befindlichen Schwimmer vorteilhaft Bestandteil eines Schwimmkörpers, der auf der die Einlaß­ öffnung aufweisenden Seite zur Wellenerhöhung trichterförmig im Sinne einer Verengung bei Einlaufbewegung der Welle ge­ staltet ist. Zu diesem Zweck läßt sich der Schwimmkörper vorteilhaft aus zwei im Abstand zueinander angeordneten Schwimmrümpfen bilden, zwischen denen das den Schwimmer auf­ weisende Becken angeordnet ist. Dabei sind die Schwimm­ rümpfe vorteilhaft derart ausgestaltet, daß sie mit ihrem über die Einlaßöffnung hinausragenden Bereich im Sinne einer trichterförmigen Erweiterung verlaufen. Außerdem mag zur weiteren Wellenerhöhung am Boden der Einlaßöffnung eine von der Einlaßöffnung nach unten geneigte Auflauframpe zwischen den Schwimmkörpern angeordnet sein.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen auf der Zeich­ nung dargestellt, die nachfolgend näher erläutert sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein in Bachnähe angeordnetes, einen Schwimmer enthaltendes Becken mit einem darüber angeord­ neten Generator einer Getriebeeinheit, bei dem sich der Schwimmer in einer abgesenkten Lage befindet, und der Wasserstand im Becken gerade so hoch ist, daß der Schwimmer seine Auftriebs­ bewegung beginnen kann,

Fig. 2 die aus Fig. 1 ersichtliche Stromerzeugungs­ anlage, bei welcher der Schwimmer seine End-Auf­ triebslage erreicht hat, wobei die Strom­ erzeugungsanlage analog Fig. 1 in einem Vertikal­ schnitt dargestellt ist,

Fig. 3 ein auf dem Meer vorteilhaft in Ufernähe zu verankernder Schwimmkörper mit einem Becken und einem darin angeordneten Schwimmer in einer Draufsicht.

Bei dem aus den Fig. 1 und 2 ersichtlichen Ausführungsbei­ spiel ist in einem Becken 10 ein Schwimmer 11 angeordnet, der durch nicht dargestellte an der Beckeninnenwand fest­ gelegte Führungen in äquidistantem Abstand zur Beckeninnen­ wand gehalten wird. Das Becken 10 besitzt im Bereich knapp über dem Grund des Wasserzuführkanales 12 eine Einlaßöff­ nung 13, die durch einen Schieber 14 geöffnet bzw. abge­ sperrt werden kann. An anderer Stelle befindet sich in der Wandung des Beckens 10 eine Auslaßöffnung 15, die zur schnellen Entleerung des Beckens relativ großflächig aus­ geführt ist und von einer Klappe 16 verschlossen werden kann. Dabei liegt der untere Rand der Auslaßöffnung 15 unter der Einlaßöffnung 13 und auch unter dem Grund des Wasser­ zuführkanales 12. An die Auslaßöffnung 15 schließt sich ein Wasserableitungskanal 17 an.

Wenn nun wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Schwimmer 11 mit seiner Unterseite wesentlich über den Grund des Wasserzuführkanales 12 und des Wasserableitungs­ kanales 17 nach unten hinausragt, so befindet sich im Be­ reich des Grundes des Wasserableitungskanales 17 zwischen dem Becken 10 und dem Schwimmer 11 eine Dichtmanschette 18, die verhindert, daß ein zu großes Wasservolumen im Becken 10 benötigt wird, um den Schwimmer 11 anzuheben.

An dem Schwimmer 11 ist eine Zahnstange 19 festgelegt, die mit einem über dem Schwimmer 11 angeordneten Zahnritzel 20 eines Getriebes 21 im Eingriff ist. Dabei bildet die Zahn­ spange 19 das Zahnritzel 20 und das Getriebe 21 eine Ge­ triebeeinheit 22, die mit einem Generator 23 gekuppelt ist. Am Oberende des Schwimmers 11 ist die Seitenwandung 24 nach innen zurückgesetzt, so daß ein nach innen verspringender Absatz entsteht, der von dem in das Becken 10 einströmenden Wasser in vorbestimmter Höhe überdeckt wird, bevor die Auf­ triebskraft den Schwimmer anzuheben vermag.

Wenn nun bei geöffnetem Schieber 14 aus dem Wasserzuführ­ kanal 12 Wasser in das Becken eingelaufen ist, und die aus Fig. 1 ersichtliche Füllstandshöhe erreicht hat, bei der der Schwimmer 11 seine Auftriebsbewegung beginnt, wird bei geschlossener Klappe 16 auch der Schieber 14 geschlossen, was beispielsweise durch einen Schwimmerschalter mit nach­ geschalteter Steuerung und Mechanik bewirkt werden kann. Der sodann aufsteigende Schwimmer 11 verdrängt dabei das über seinem Rücksprung der Seitenwandung 24 stehende Wasser, wodurch der Wasserspiegel im Becken ansteigt und der Schwim­ mer eine größere Auftriebsbewegung erfährt. Über die dabei nach oben bewegte Zahnstange 19 wird über das Ritzel 20 und das Getriebe 21 der mit diesem gekuppelte Generator 23 in Drehbewegung versetzt, so daß in dieser Phase Strom erzeugt wird. Hat nun der Schwimmer 11 seine obere Endlage erreicht (Fig. 2), wird über einen nicht dargestellten Steuerschalter und eine entsprechende Mechanik die Klappe 16 in die in strichpunktierten Linien angedeutete Offen­ stellung gefahren, so daß das Wasser aus dem Becken 10 schnell ausströmen kann. Dabei sinkt der Schwimmer 11 in die aus Fig. 1 ersichtliche Lage zurück. Bei dieser dem Hub gegenläufigen Schwimmerbewegung wird infolge eines zwischen Ritzel und Getriebe geschalteten, nicht darge­ stellten Freilaufs keine Antriebskraft an das Getriebe 21 abgegeben, während der Generator 23 über nicht dargestellte Schwungmassen in der durch die Hubbewegung erzeugten Dreh­ richtung weiterlaufen kann. Sobald der Schwimmer nun seine untere Endlage erreicht hat, wird die Klappe 16 geschlossen und gleichzeitig der Schieber 14 geöffnet, so daß erneut Wasser in das Becken 10 einströmen kann, um einen neuen Arbeitshub im Turnus anzuschließen. Das ausströmende Wasser kann dazu benutzt werden, in einer weiteren, etwas tiefer gelegenen Stromerzeugungsanlage der vorbeschriebenen Art ebenfalls eine Hubbewegung eines weiteren Schwimmers zu erzeugen. Es ist denkbar, daß mehrere in Reihe hinterein­ anderliegende Stromerzeugungsanlagen mit der gleichen Wasser­ menge eines Baches oder kleinen Flusses betrieben werden können, da zur Auftriebserzeugung nur ein verhältnismäßig geringes Wasservolumen erforderlich ist. Dies gilt auch für das zur Flußregulierung aus Talsperren abströmende Wasser in geringerer Menge sowie bei Wasser-Speicherwerken.

Dieses System läßt sich auch einsetzen, um Strom aus Meeres­ wellen zu erzeugen. Die aus Fig. 3 schematisch ersichtliche Stromerzeugungsanlage ist in bezug auf Becken 10, Schwimmer 11, Getriebeeinheit 22 und Generator 23 analog dem aus den Fig. 1 und 2 ersichtlichen Ausführungsbeispiel aufgebaut. Allerdings befindet sich das den Schwimmer 11 beinhaltende Becken 10 zwischen zwei als Schwimmkörper 25 fungierenden Schwimmrümpfen 26. Dabei mag der Schwimmer 11 mittels an der Innenwandung des Beckens 10 befestigten Rollen 27 geführt sein. Auch das Becken gemäß Fig. 3 hat eine aus zwei Durchlässen bestehende stirnseitige Einlaßöffnung 13, die ebenfalls durch nicht dargestellte Schieber verschlos­ sen werden kann. Auf der der Einlaßöffnung 13 gegenüber­ liegenden Seite befindet sich ebenfalls eine großflächige Auslaßöffnung 15, die ihrerseits wiederum durch eine Klappe 16 verschlossen ist. Der über die Einlaßöffnung 13 hinaus­ ragende Rumpfbereich 28 eines jeden Schwimmrumpfes 26 ist derart nach außen weisend abgewinkelt, daß in diesem Be­ reich eine trichterförmige Erweiterung zwischen den Rumpf­ bereichen 28 der Schwimmrümpfe entsteht. Außerdem ist zwischen den Schwimmrümpfen eine von Grund der Einlaßöffnung 13 ausgehende, nach unten geneigte Auflauframpe 29 ange­ ordnet, durch welche ebenfalls eine Erhöhung der anlaufenden Meereswelle 30 bewirkt wird. Die Auflauframpe 29 bildet in Verbindung mit den Rumpfbereichen 28 eine Wellenerhöhungs­ zone.

Wenn nun Meereswogen 30, die im Nordseebereich im Jahres­ mittel eine Wellenhöhe von etwa 50 bis 60 cm hat, zwischen die geneigten Rumpfbereiche 28 und die Auflauframpe 29 ge­ langt, so erhöht sich die Wellenhöhe. Das Meerwasser dringt durch die Einlaßöffnungen 13 in das Becken 10 ein und sucht den Schwimmer 11 in der obenbeschriebenen Weise anzuheben. Bei durch die Wogen erreichter Wasserhöhe im Becken 10 löst die Bremsvorrichtung des Schwimmers, während die Einlaß­ öffnung 13 durch einen Schieber verschlossen wird. Nachdem der Schwimmer seine Endlage erreicht hat, öffnet dieser durch einen entsprechenden Schaltkontakt die Klappe 16, so daß das zuvor in das Becken 10 eingedrungene Wasser der Meereswoge wieder aus dem Becken 10 auf der rückwärtigen wellenberuhigten Seite ausströmen kann. Dabei wird in gleicher Weise Strom erzeugt, wie bei dem aus den Fig. 1 und 2 er­ sichtlichen Ausführungsbeispiel. Um den Schwimmkörper 25 immer in eine solche Lage bringen zu können, daß die Meeres­ wellen 30 in der gewünschten Weise in die Einlaßöffnung 13 gelangen können, ist am Schwimmkörper 25 ein Steuerruder bzw. Steuersegel 31 festgelegt.

Wie bereits erwähnt, geben die dargestellten und vorbe­ schriebenen Ausführungen die Erfindung nur beispielsweise wieder, die keinesfalls allein darauf beschränkt ist. Es sind vielmehr noch mancherlei Änderungen und andere Aus­ gestaltungen der Erfindung denkbar. Außerdem sind alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeichnung dar­ gestellten neuen Merkmale erfindungswesentlich, auch wenn sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.

Bezugszeichenliste

10 Becken
11 Schwimmer
12 Wasserzuführkanal
13 Einlaßöffnung
14 Schieber
15 Auslaßöffnung
16 Klappe
17 Wasserableitungskanal
18 Dichtmanschette
19 Zahnstange
20 Zahnritzel
21 Getriebe
22 Getriebeeinheit
23 Generator
24 Seitenwandung, rückspringend
25 Schwimmkörper
26 Schwimmrumpf
27 Führungsrolle
28 Rumpfbereich
29 Auflauframpe
30 Meereswelle
31 Steuerruder, Steuersegel

Claims (8)

1. Stromerzeugungsanlage zur Nutzung der Auftriebskraft des Wassers, insbesondere kleiner Flüsse und Bäche so­ wie von Meereswellen, gekennzeichnet durch einen in einem Becken (10) vertikal beweglich ange­ ordneten Schwimmer (11), der vom Becken (10) mit seit­ lich geringem Spiel umschlossen ist, und dem Becken (10) einerseits über eine verschließbare Einlaßöffnung (13) Wasser zuführbar ist, das andererseits über eine absperrbare, tiefer als die Einlaßöffnung (13) ange­ ordnete Auslaßöffnung (15) ableitbar ist, wobei der Schwimmer (11) über eine Getriebeeinheit (22) mit einem Generator (23) kuppelbar ist.

2. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwimmer (11) im Bereich seiner Oberseite eine nach innen zurückspringende Seiten­ wandung (24) aufweist.

3. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (13) durch einen vom Wasserstand im Becken (10) steuer­ baren Schieber (14) zu öffnen und schließbar ist, während die Auslaßöffnung (15) von einer großflächigen Klappe (16) verschlossen ist, deren Öffnung durch das Hubende des Schwimmers (11) eingeleitet ist.

4. Stromerzeugungsanlage nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeeinheit (22) aus einer mit dem Schwimmer (11) bewegbaren Zahnstange (19) und einem damit käm­ menden Ritzel (20) und einem nachgeschalteten Getriebe (22) gebildet ist, wobei zwischen Ritzel (20) und Ge­ triebe (21) eine Freilaufkupplung geschaltet ist, und die Getriebeeinheit (22) in Drehverbindung mit dem Generator (23) steht.

5. Stromerzeugungsanlage nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Becken (10) mit dem darin befindlichen Schwimmer (11) Bestandteil eines Schwimmkörpers (25) ist, der auf der die Einlaßöffnung (13) aufweisenden Seite zur Wellen­ erhöhung trichterförmig gestaltet ist.

6. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwimmkörper (25) aus zwei im Ab­ stand zueinander angeordneten Schwimmrümpfen (26) ge­ bildet ist, zwischen denen das den Schwimmer (11) auf­ weisende Becken (10) angeordnet ist.

7. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schwimmrümpfe (26) mit ihrem über die Einlaßöffnung (13) hinausragenden Bereich im Sinne einer trichterförmigen Erweiterung verlaufen.

8. Stromerzeugungsanlage nach einem oder mehreren der An­ sprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden der Einlaßöffnung (13) eine von der Einlaßöffnung nach unten geneigte Auflauframpe (29) zwischen den Schwimm­ rümpfen (26) angeordnet ist.