DE4205870A1 - Wasserhubanlage mit wasserkreislauffuehrung durch ein kraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heben von Wasser aus einem ersten Reservoir über eine Steigleitung in ein zweites höher gelegenes Reservoir und Rückführen des Wassers in das erste Reservoir über eine Turbine mit Generator sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Mit dem hier beschriebenen Verfahren und der zugehörigen Anlage soll ein Wasserkraftwerk angegeben werden, das den verschiedensten Anforderungen der Jetzt-Zeit und der Zukunft an umweltschonende Energieerzeugung genügt. Wasserkraftwerke verschiedenster Funktionsweise sind bereits bekannt. Sie arbeiten üblicherweise mit fließendem Wasser, bei dem ein natürliches Gefälle oder zum Beispiel durch Aufstauen erzeugte Gefälle des Wassers für die Energiegewinnung ausgenutzt wird. Das Wasser zum Antreiben solcher Kraftwerke kann durch Schlamm, Schmutz oder Sand verunreinigt sein und somit die Funktion des Kraftwerks stören. Außerdem ist natürlich die Leistung des Kraftwerks von der vorhandenen Wasserenergie und somit unter anderem auch vom Standort abhängig. Nicht überall kann ein Wasserkraftwerk erbaut und ökonomisch be­ trieben werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wasserhub­ anlage mit Wasserkreislaufführung durch ein Kraftwerk zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist und stattdessen
1. unabhängig von fließendem Wasser ist,
2. mit einer einmaligen Füllung des Kreislaufsystems aus reinem, sauberem, gegebenenfalls entkalktem Wasser arbeitet,
3. von Hoch- oder Niedrigwasserständen, Verschmutzung oder Ver­ sandung des Wassers unabhängig ist,
4. die Vorteile eines Wasserkraftwerks bietet, indem keine Schadstoffbelastung der Umwelt auftritt, und
5. an beliebigen Standorten und in einem weiten Bereich der Energiedimensionierung einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, wie es in An­ spruch 1 angegeben ist, sowie durch eine Anlage zur Durchfüh­ rung des Verfahrens, wie sie im Anspruch 7 angegeben ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfah­ rens gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 und der erfindungsgemäßen Anlage zur Durchführung des Verfahrens in den Ansprüchen 8 bis 10 angegeben.

Aus der nun folgenden Beschreibung vorteilhafter Beispiele der Erfindung ergeben sich noch weitere Aspekte und Vorteile.

Zur Erläuterung der Erfindung wird ein Ausführungsbeispiel für die Anlage gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen die Fig. 1 bis 4 eine Anlage gemäß der Erfindung in vier verschiedenen Arbeitsgängen wäh­ rend des Wasserkreislaufs.

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Anlage.

Der größte Teil der in der Anlage gemäß der Erfindung umlau­ fenden Wassermenge befindet sich in dem als erstes Reservoir dienenden Wassersammelbecken 6. Von ihm aus wird die gesam­ te Anlage in Betrieb gesetzt, der mit dein Überführen des Wassers in die Steigleitung beginnt. Die Form des Quer­ schnitts des Wassersammelbeckens 6 ist nicht beschränkt, sie kann rund oder eckig, klein oder groß sein. Es ist nur notwendig, daß im unteren Teil des Beckens 6 gerade verti­ kale Innenwände vorhanden sind, die ein Senken und Heben eines absenkbaren Bodens 8, der entlang seines Umfangs was­ serdicht gegen die Innenwand des Gefäßes abgedichtet ist und zwischen einem oberen und einem unteren Anschlag beweg­ bar ist, gestatten. Das Wassersammelbecken nimmt nicht nur das Gebrauchtwasser aus der Turbine auf und leitet das Was­ ser zur Steigleitung aus, es entscheidet auch durch seine Größe die Leistungsfähigkeit der Anlage.

In der dargestellten Ausführungsform wird das Gewicht des in dem Becken 6 befindlichen Wassers ausgenutzt. Der Boden des Beckens ist als absenkbarer Boden 8 ausgebildet. Das Wasser im Becken 6 steht im ersten Arbeitsgang direkt mit der Oberseite des Bodens 8 in Berührung und sinkt, wenn der Boden sich senkt.

Das Gesamtgewicht des Bodens 8 und des Wassers im Wassersammelbecken übt den Druck aus, der gebraucht wird, um eine Teilmenge Wasser in der Steigleitung nach oben zu verdrängen. Diese Teilmenge Wasser ist immer identisch mit den Wassermengen, die im gleichen Zeitraum a) aus der Turbine als Gebraucht­ wasser einlaufen, b) als Teilmenge aus dem Wassersammel­ becken ablaufen bzw. c) in der Steigleitung hochgedrückt werden.

Um diesen Arbeitsgang in ununterbrochener Folge wiederholen zu können, ist direkt über dem absenkbaren Boden ein zwei­ ter Boden eingebaut. Dieser ist fest verankert und ist mit Öffnungsklappen 7 versehen, die im geschlossenen Zustand, sich überlappend aufeinanderliegend einen über den Quer­ schnitt geschlossenen Zwischenboden bilden. Dadurch wird erreicht, daß die Wassermenge zum einen an dieser Stelle zurückgehalten wird, zum anderen beim Öffnen der Klappen für den unteren absenkbaren Boden 8 freigegeben wird.

Zum Erleichtern der Öffnung der Klappen 7 können diese in der Querschnittsebene schwenkbar ausgebildet sein. In die­ sem Fall müssen die Klappen 7 nicht gegen den Wasserdruck hochgeklappt werden, wie es in Fig. 1 und 2 dargestellt ist.

Mit dem absenkbaren Boden kann eine Übersetzungsanlage ge­ koppelt sein, über die der Druck auf ein Mehrfaches ver­ stärkt wird. Eine solche Vorrichtung z. B. mit Hebelübersetzung kann zweckmäßig sein, wenn es sich um eine Kleinanlage oder um eine größere und/oder höhere Fördermenge handelt, z. B. bei Erhöhung der Volumenkapazität oder bei Änderung des Höhenunterschieds.

Wenn sich der Boden 8 senkt, wird das Wasser aus dem Ver­ drängungsraum 12 bei geöffnetem Ventil I in die Steiglei­ tung 1 gedrängt. Der Druck oder die Gewichtsbelastung auf der Seite des Sammelbeckens 6 vom Boden 8 ist so bemessen, daß das Wasser in der Steigleitung 1 bis auf ein Niveau über dem als zweites Reservoir dienenden Überlaufbecken 5 steigt. Das Wasser kann aus der Steigleitung 1 frei in das Über­ laufbecken 5 abfließen, wo es sich ansammelt, so lange die Ventile IV in Fallrohren 2 geschlossen sind. Erst wenn die Ventile IV geöffnet werden, läuft Wasser aus dem Überlauf­ becken 5 durch die Fallrohre 2 über Turbinen 3, die mit Generatoren 4 verbunden sind, nach unten ab und in das Wassersammelbecken 6 zurück.

Die Steigleitung 1 kann als äußerer Rahmenträger ausgebildet sein oder in einen Rahmenträger integriert werden. Der innere Durchmesser der Steigleitung 1 ergibt sich rechne­ risch aus dem absinkenden Gewicht der Kombination von Bo­ den 8 und dem Wasser in Sammelbecken 6 und der gewünsch­ ten Steighöhe des Wassers bis zum Überlauf am oberen Ende der Steigleitung 1 in das Überlaufbecken 5.

Von dem Überlaufbecken 5 aus kann der Wasserumlauf gere­ gelt werden. So lange die Ventile IV geschlossen sind, wird das Überlaufbecken 5 aufgefüllt, und dieser Vorgang hält an, bis die gewünschte Reservemenge Wasser vorhanden ist. Nach dem Öffnen der Ventile IV fließt das Wasser aus und wird im nächsten Zyklus durch in der Steigleitung aufsteigendes Wasser nachgefüllt. Das Becken 5 dient somit auch als Pufferbecken.

Es ist zweckmäßig, daß das Überlaufbecken so ausgelegt wird, daß immer die drei- bis fünffache Wassermenge von der Men­ ge, die für den Rücklauf in die Turbine gebraucht wird, angesammelt wird. Das hangt stets von dem Zeittakt zwischen Ein- und Auslauf aus dem Wassersammelbecken und dem Einlauf in das Becken 5 ab.

Die Größe des Überlaufbeckens ist in der Bodengrundfläche identisch mit der Querschnittsfläche des Wassersammelbek­ kens 5. Sie erstreckt sich über den oberen Teil der Anlage.

Die Tiefe des Beckens 5 entspricht der Menge des Wasserbe­ darfs, der sich aus der Anzahl der Steigleitungen ergibt. Es ist mindestens eine Steigleitung 1 vorhanden, es können jedoch auch mehrere Steigleitungen, z. B. vier, vorhanden sein. Dadurch wird es möglich, den Betrieb ununterbrochen fortzusetzen, selbst wenn eine Steigleitung z. B. durch War­ tung oder Fehler ausfällt.

Es ist vorteilhaft, in den Fallrohren 2 an der Einlauf­ seite, also zwischen Becken 5 und Turbine 3, Drosselstel­ len einzubauen. Mit derartigen Drosseleinrichtungen kann der Durchmesser der Leitung verändert werden, um so den Wasserdurchsatz zu regulieren.

Die bei der erfindungsgemäßen Anlage verwendeten Turbinen und Generatoren können so übernommen werden, wie sie be­ reits in anderen Kraftwerken herkömmlicherweise verwendet werden. Aus den bekannten und kommerziell erhältlichen Turbinen und Generatoren werden Typen ausgewählt, die der Größenordnung der Anlage angepaßt sind. Die Dimensionie­ rung reicht dabei von Kleinstanlagen für Haushaltungen bis zu großen Generatoren für Reihen- oder Großanlagen.

Der Boden 8 muß gleichmäßig und ohne Schrägstellung absenk­ bar sein. Andernfalls bestünde die Gefahr, daß die Dichtung an seinem Umfang zur Innenwand des Gefäßes undicht wird. Zu diesem Zweck sind Führungssäulen 9 vorgesehen, die in entsprechenden Führungshülsen gleiten. Dadurch ist ein gleichmäßiges vertikales Absenken des Bodens gewährleistet.

Die Schwimmer 10, die zum Heben des Bodens dienen, greifen vorzugsweise unter diesen Führungssäulen 9 an. Dabei kön­ nen die Schwimmer 10 untereinander starr zu einer Platte verbunden sein, so daß die Auftriebskräfte an allen Füh­ rungssäulen 9 gleichmäßig angreifen.

Zum Heben des Bodens 8 von der unteren in die obere Stel­ lung können die Schwimmer 10 zur Unterstützung der Auf­ triebskraft zusätzlich evakuiert werden.

Eine andere Möglichkeit, den Boden 8 wieder zu heben, be­ steht darin, in eine (nicht dargestellte) Schwimmerplatte an der Stelle der Schwimmer 10 mittels eines Gestänges einzugreifen und die Schwimmerplatte mechanisch oder hy­ draulisch angetrieben zu heben. Ein derartiges Gestänge kann im Schwimmerbecken 11 angeordnet sein, wobei es sich gegen den Boden des Schwimmerbeckens 11 abstützt, oder es kann von außen, z. B. von oben, direkt am Boden 8 angreifen.

Im folgenden wird der Ablauf der einzelnen Arbeitsgänge anhand der Zeichnungen der Fig. 1 bis 5, die die bevor­ zugte Ausführungsform darstellen, beschrieben.

In einer Anfangsstellung befindet sich in dem Wassersammel­ becken 6, in dem Überlaufbecken 5 und in der Steigleitung 1 Wasser, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Der Boden 8 befindet sich in der oberen Stellung. Die Ventile I, II, III und IV sind geschlossen. Die Fallrohre 2 zu den Turbi­ nen 3 sind leer. Die Turbinen und Generatoren stehen still. Diese Stellung kann auch als "Ruhestellung" bezeichnet wer­ den.

Zum Start des Wasserkreislaufs werden die Ventile IV am Boden des Überlaufbeckens 5 geöffnet, so daß Wasser aus dem Überlaufbecken 5 in die Fallrohre 2 und durch die Turbinen 3 läuft. Die Turbinen fangen an zu arbeiten.

Geöffnet werden weiterhin die Ventile I am Boden des Ver­ drängungsraums 12 zum unteren Teil der Steigleitung 1. Da­ durch kann von dem absenkbaren Boden 8 verdrängtes Wasser aus dem Verdrängungsraum 12 in die Steigleitung 1 fließen.

Das aus dem Becken 5 über die Turbine 3 in das Sammelbecken 6 fließende Wasser erhöht das Gewicht über dem Boden 8. Der Boden 8 senkt sich und verdrängt das Wasser aus dem Raum 12 in die Steigleitung 1. Das nach oben verdrängte Wasser läuft in das Überlaufbecken 5 ein.

Mit dem Absenken des Bodens 8 werden die Führungssäulen 9 mit den darunter befindlichen Schwimmern 10 nach unten in das Schwimmerbecken 11 gedrückt.

Wenn sich der absenkbare Boden 8 zu bewegen beginnt, werden die Klappen 7 geschlossen, so daß sie einen festen wasser­ dichten Zwischenboden bilden. Das von den Fallrohren 2 aus den Turbinen 3 auslaufende Wasser sammelt sich im Wassersam­ melbecken 6 auf diesem festen Boden, der aus den Klappen 7 gebildet ist.

Eine aus Fig. 5 ersichtliche Druckausgleichsleitung 14 wird einen Unterdruck zwischen dem Wassersammelbecken 6 und dem Raum unter dem festen Boden aus den Klappen 7 ausgleichen.

Wenn der absenkbare Boden 8 in seiner untersten Stellung angekommen ist und anhält, kann kein Wasser mehr durch die Steigleitung 1 gefördert werden. Dann werden die Ventile I am Boden der Steigleitung 1 geschlossen, so daß der Was­ serfluß an dieser Stelle abgesperrt ist. Hiermit wird auch verhindert, daß Wasser aus der Steigleitung in den Verdrän­ gungsraum 12 zurückfließt, wenn der Boden 8 wieder gehoben wird.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt der Anlage im zweiten Ar­ beitsgang, wenn sich der Boden 8 in seiner untersten Stel­ lung befindet. Zum Heben des Bodens 8 werden nun die Venti­ le III geöffnet, wodurch über dem Boden 8 befindliches Was­ ser in die Abflußleitungen 13 fließen kann. Dort bleibt es so lange, bis der Boden 8 wieder gehoben wird, wobei es den Raum unter dem Boden 8 wieder füllt.

Wenn nun im nächsten Arbeitsgang die Schwimmer 10 den Boden 8, auf dem sich kein Wasser befindet, in seine Ausgangsstel­ lung zurückdrücken, fließt das Wasser aus den Abflußleitun­ gen 13 unter den Boden nach. Der Boden 8 fährt in seine obere Anschlagstellung zurück. Wenn der Boden 8 sein ober­ stes Niveau erreicht hat, rastet der absenkbare Boden in eine (nicht dargestellte) Arretierung.

Im nächsten Arbeitsgang werden die Klappen 7, die den fe­ sten Boden geschlossengehalten haben, wieder geöffnet. Da­ mit ist die Verbindung des Wasserbeckens 6 mit dem oberen Teil des Bodens 8 wieder hergestellt, und das Wasser steht auf dem Boden 8. Damit ist die Anlage wieder in der in Fi­ gur 1 dargestellten Stellung für den ersten Arbeitsgang.

Der Kreislauf kann von neuem beginnen.

Während des Hebevorganges für den Boden 8 wird kein Wasser in das Überlaufbecken 5 gefördert. Der Wasservorrat in dem Becken 5 hat deshalb durch das dauernde Ausfließen von Was­ ser durch die Fallrohre 2 und über die Turbinen 3 entspre­ chend abgenommen. Der Wasserspiegel im Becken 5 ist deshalb abgesunken. Er wird beim nächsten Arbeitsgang, wenn sich der Boden 8 wieder senkt, wieder angehoben, weil das Becken 5 dann wieder aufgefüllt wird.

Das Steuern des Öffnens und Schließens der Ventile I, II, III und IV sowie das Öffnen und Schließen der Klappen 7 kann nach einem festen Programm erfolgen. Zweckmäßig ist es, an den Endanschlägen des Bodens 8 und/oder der Schwimmer 10 Sensoren vorzusehen, die gemäß dem geschilderten Arbeits­ gangverlauf die erforderlichen Öffnungen und Schließungen über Servomotoren oder andere an sich bekannte Steuerglie­ der vornehmen.

Die Funktion der Turbinen 3 und der Generatoren 4 sind herkömmlicher Art und werden deshalb hier nicht im einzelnen beschrieben.

Claims (10)

1. Verfahren zum Heben von Wasser aus einem ersten Reservoir über eine Steigleitung in ein zweites höher gelegenes Reservoir und Rückführen des Wassers in das erste Reservoir über eine Turbine mit Generator, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Reservoir ein absenkbarer Boden, der entlang seines Umfanges mit wasserdichter Passung gegen die Innenwand des ersten Reservoirs geführt ist, aufgrund des Gewichtes oder durch Druck absinken gelassen wird, wobei der Boden Wasser aus dem ersten Reservoir durch einen Auslauf am Boden des ersten Reservoirs in die Steigleitung verdrängt und zwar bis zu einer Höhe, die über dem zweiten Reservoir liegt, so daß Wasser aus der Steig­ leitung in das zweite Reservoir überläuft, von wo es über eine Turbine in das erste Reservoir zurückfließen kann, und dann der abgesenkte Boden wieder in seine obere Ausgangsstellung zurückgehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgesenkte Boden über ein einklinkbares Gestänge mechanisch oder hydraulisch gehoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der absenkbare Boden mittels Auftrieb verleihenden Schwimmern wieder gehoben wird, die sich in einem Schwimmerbecken unter dem ersten Reservoir befinden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmer unter dem Boden angreifen, um diesen zu heben, nachdem
(a) der Boden abgesenkt,
(b) ein aus Klappen bestehender Zwischenboden über dem ersten Reservoir geschlossen worden ist
(c) das Wasser unter dem Boden in die Steigleitung hinein verdrängt und
(d) die Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ersten Reservoir und der Steigleitung geschlossen worden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen des Zwischenbodens wieder geöffnet werden, wenn der Boden bis zu seinem oberen Anschlag gehoben worden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des über dem absenkbaren Boden aufgesammelten Wassers zum Absenken des Bodens und damit Verdrängen des Wassers im unteren Teil des ersten Reservoirs in die Steigleitung ausgenutzt wird und das aus der Steigleitung oben in das zweite Reservoir überlaufende Wasser aus dem zweiten Reservoir in Fallrohre und durch Turbinen geleitet wird, wonach das Wasser durch die Fallrohre in das erste Reservoir zurückgeführt wird.

7. Anlage zum Heben von Wasser aus einem ersten Reservoir (6) über eine Steigleitung (1) in ein zweites höher gelegenes Reservoir (5) und Rückführen des Wassers in das erste Reservoir (6) über eine Turbine (3) mit Generator (4) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reservoire (5, 6) übereinander in einem säulen­ artigen Gefäß angeordnet sind und im Boden des zweiten Reservoirs (5) mit Ventilen (IV) verschließbare Fallrohre (2) vorgesehen sind, über die das Wasser durch Schwerkraft in das erste Reservoir (6) zurück­ läuft, in dem Gefäß ein absenkbarer Boden (8) vorge­ sehen ist, der entlang seines Umfangs wasserdicht gegen die Innenwand des Gefäßes abgedichtet ist und zwischen einem oberen und einem unteren Anschlag bewegbar ist, am Boden des unteren Reservoirs (6) Ventile (I) vorgesehen sind, die den Durchgang zum unteren Teil des Steigrohres bzw. mehrerer Steigrohre (1) freigeben und verschließen, und eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit der der absenkbare Boden (8) wieder hebbar ist.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der absenkbare Boden (8) über ein durch das obere Reservoir geführtes oder unter dem Boden (8) im Gefäß vorgesehenes Gestänge mechanisch oder hydraulisch hebbar ist.

9. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der absenkbare Boden (8) mittels Schwimmern (10), die sich unter dem Boden unter Führungssäulen (9) für den Boden befinden, hebbar ist.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß über dem absenkbaren Boden (8) in seiner oberen Stellung ein aus Klappen bestehender Boden (7) vorgesehen ist, dessen Klappen in die zwei Stellungen bewegbar sind, die freier Öffnung und völligem Schließen des Bodens ent­ sprechen, und daß der Raum zwischen diesem Klappenboden und dem abgesenkten Boden (8) über Ventile (III′) mit einer Abflußleitung (13) verbunden ist, die über untere Ventile (III) mit dem Wasserverdrängungsraum (12) verbunden ist.