EP3114347A1 - Gravitations-kraftwerk zur elektrizitätsgewinnung - Google Patents

Gravitations-kraftwerk zur elektrizitätsgewinnung

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EP3114347A1
EP3114347A1 EP15710712.9A EP15710712A EP3114347A1 EP 3114347 A1 EP3114347 A1 EP 3114347A1 EP 15710712 A EP15710712 A EP 15710712A EP 3114347 A1 EP3114347 A1 EP 3114347A1
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EP
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water
power plant
piston
sectors
pressure chamber
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EP15710712.9A
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Erich Rapp
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
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    • F03B17/02—Other machines or engines using hydrostatic thrust
    • F03B17/04—Alleged perpetua mobilia
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03B17/00—Other machines or engines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/40—Use of a multiplicity of similar components

Definitions

  • the o.g. Primary pressure line does not prevent the back pressure of the piston weights reducing the flow rate at the turbines, as well as the piston stroke speed. Therefore, the two moving pistons were able to transport only part of the total amount of water down to underwater level.
  • partitions 12 can be (four) independent water pressure chambers arise, in each of which the maximum, hydrostatic water pressure is present in order to raise the piston weights in time to the maximum height, corresponding to the underwater level.
  • Each of these four sectors is preferably equipped with a turbine 13 and two drive crosses 8. Each sector thus contributes V * to the total amount of energy generated.
  • a turbine 13 In each of the four sectors is always a piston weight 7 at the same time in upward movement and also in each of the four sectors is always a spider 8 at the same time in rotation.
  • each sector now has its own water pressure chamber 6, each piston reaches its top dead center (with gentle standstill of the respective piston weight 7) and thus the respectively assigned water column H at least up to the underwater level.
  • Each piston weight now reaches its maximum possible stroke height, because now the absolute, static water pressure h is present at the respective lower piston surface. The weight of the piston and the pressure of the water column h are identical in this position.
  • the pivotal movement is initiated (e.g., by unlocking the previously vertical orientation of the drive cylinders to complete, for example, a maximum of 20 seconds in time - see the following calculations).
  • the back pressure of the piston weights has, as I said, the slowing down of
  • Partial water columns h and h1 come, which unite to the total water column H.
  • the movement sequence of the piston system is as follows:
  • Movement takes place at the same time in the other three sectors, but offset in z. B. 5 seconds intervals. All in all, a piston stroke starts and ends every 5s. And also every 5s begins and ends a 90 ° rotation of a Triebnches.
  • This application includes two types of gravitational force, A (Fig. 1) and B (Fig. 2), which are largely identical in construction. All power crosses are rotated by 90 ° - drawn in the image plane and have in principle the same transmission mechanisms (eg on large gears) to one or more generators.
  • A gravitational force
  • B Fig. 2
  • All power crosses are rotated by 90 ° - drawn in the image plane and have in principle the same transmission mechanisms (eg on large gears) to one or more generators.
  • water flows from a (natural) storage 10 to and finally to the underwater 11 after use for power generation.
  • the underwater is not brought to the drain, but from the underwater level 2 again to the upper water level. 4
  • the energy gain of a turbine 13 is calculated from a sector. In this case,% of the total amount of water flows through, so that there is no significant difference in the amount of energy generated by the two turbines on the turbine side (as the first part of the power plant).
  • the free falling speed is delayed by the turbines, from 10.6 m / s to about 5.3 m / s, so that the turbine side works with very good efficiency, even if there is an energy reduction, which, however, over the now proposed piston system more be made up for can, since the water flow is used continuously for the newly divided into sectors water pressure chamber in the drive cylinder, namely in the four sectors that provide four complete piston strokes.
  • Lifting time approx. 20s (per piston stroke with complete filling)
  • each of the four sectors there is one piston at a time - but delayed in upward motion, giving a time offset of 5s for the 20s stroke. So it is started every 5s a piston stroke. Consequently, every 5s also ends a piston stroke or is so every 5s of the water content of a power cylinder of 1050000 liters discharged at underwater level 2 into the reservoir 1.
  • the four piston strokes in the four sectors thus transport exactly the total amount of water from 210 m ⁇ / s to underwater level.
  • the mechanical energy resulting from the rotational movement of the drive cylinder 13 (with piston weights 7 therein) is thus considerable, namely approximately of the order of magnitude of the turbine energy.
  • the piston system uses about the same amount of energy from the static pressure as the turbine system, with the energy stored in the raised piston weights being controlled by the repetitive rotational motions of the drive crosses, e.g. is transmitted via a gear transmission to an associated generator.
  • the water is not discharged to the underwater but is proportionately collected in the four lower water storage tanks 1 corresponding to the underwater level 2. From here it is pumped by water pumps P, in the four upper water collection tanks 3, which correspond to the upper water level 4. From this position water flows independently and continuously to the four turbine inlets 5, again through the turbines 13 and finally through the piston system again. The water or another liquid is thus in a cycle and is used again and again, whereas the pump energy has to be taken into account compared to the type A (Fig. 1) (about 30% of the energy gained by the piston system).
  • This version can be built at any location - even underground.
  • the type of power plant B can be changed in its performance in various ways, preferably by raising or lowering the drop height h. Adding more sectors can increase performance or decrease the size of the
  • Piston weights are used.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Zur Effizienzsteigerung bei einem Gravitations-Kraftwerk zur Elektrizitätsgewinnung, mit wenigstens einer Turbine (13) und einem Triebzylinder (14) mit einem darin beweglichen Kolbengewicht (7), das wechselweise vom hydrostatischen Druck in einer tiefliegenden Wasserdruck-Kammer (6) anhebbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Wasserdruck-Kammer (6) von wenigstens einer Trennwand (12) in mindestens zwei, bevorzugt vier Sektoren aufgeteilt ist, wobei das jeweilige Kolbengewicht (7) zum Kolbenhubende in allen Sektoren auf die maximale Höhe (h1) angehoben wird. Bevorzugt sind drei derartiger Trennwände (12) mit gleichem Abstand voneinander vorgesehen.

Description

Beschreibung:
Gravitations-Kraftwerk zur Elektrizitätsgewinnung
Ein derartiges Gravitations-Kraftwerk ist aus der DE 10 2013 000 570 (des Anmelders) bekannt, wobei nachfolgend zur Beschreibung eines solchen Kraftwerks mit an sich bekannten Turbinen und Triebzylindem auf diese Patentanmeldung Bezug genommen wird.
Als Mangel bei diesem Stand der Technik haben Versuche jedoch gezeigt, dass dort mit der Primärdruck-Leitung (12) zu keiner Zeit ein maximaler statischer Wasserdruck zu erreichen war. Ein solcher ist aber erforderlich, um die Kolbengewichte (in den Triebzylindem) in die maximal mögliche Hubhöhe zu drücken. Der permanente Druckabfall resultiert insbesondere daraus, dass sich stets zwei Kolbengewichte gleichzeitig in Hubbewegung nach oben befinden und somit ein steter Wasserstrom (Abfluss) aus der gemeinsamen Wasserdruck-Kammer heraus besteht. Die Kolbengewichte erreichen deshalb nur ca. 3A der möglichen Hubhöhe, die bei maximalem statischen Wasserdruck der Wassersäule h erreichbar wäre. Die Leistung des Gravitations-Kraftwerkes bleibt deshalb unter seiner Möglichkeit.
Außerdem kann die o.g. Primärdruck-Leitung nicht verhindern, dass der Rückstaudruck der Kolbengewichte die Durchflussgeschwindigkeit an den Turbinen reduziert, ebenso auch die Kolbenhub-Geschwindigkeit. Deshalb konnten die beiden, sich in Hubbewegung befindenden Kolben nur einen Teil der Gesamt-Wassermenge bis in Unterwasserhöhe transportieren.
Es soll daher gesorgt werden, dass jedem Kolbengewicht am Ende der Kolbenhübe der statische Wasserdruck der Wassersäule h zur Verfügung steht und zudem der
Wasserdurchfluss an den Turbinen in effektivem Umfang erfolgt, sowie die gesamte damit zur Verfügung stehende Wassermenge mit den Kolbenhüben fortlaufend bis in Unterwasserhöhe transportiert wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die„schädliche"
Wasserverbindung der gemeinsamen Wasserdruck-Kammer gemäß dem o.g. Stand der
Technik nun durch die Aufteilung der Wasserdruck-Kammer des Kolbensystems in mehrere, insbesondere vier Sektoren beseitigt wird. Die so vorgeschlagenen (drei) Trennwände 12 lassen (vier) eigenständige Wasserdruck-Kammern entstehen, in denen jeweils der maximale, hydrostatische Wasserdruck ansteht, um die Kolbengewichte zeitlich aufeinander folgend auf die maximale Höhe, entsprechend dem Unterwasserniveau anzuheben.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Jeder dieser vier Sektoren ist bevorzugt mit einer Turbine 13 und zwei Triebkreuzen 8 bestückt. Jeder Sektor steuert somit V* der erzeugten Gesamt-Energiemenge bei. In jedem der vier Sektoren ist stets ein Kolbengewicht 7 gleichzeitig in Aufwärtsbewegung und ebenso ist in jedem der vier Sektoren stets ein Triebkreuz 8 gleichzeitig in Drehbewegung. Die vom
Rückstaudruck der Kolbengewichte verursachte Halbierung der Durchflussgeschwindigkeit wird durch die erhöhte Anzahl der Kolbenhübe, die stets gleichzeitig stattfinden, ausgeglichen. Pro Kolbenhub wird also ΛΑ der gesamten Wassermenge bis in Unterwasserhöhe 2 hochgedrückt. So wird auch jede der vier Turbinen von % der gesamten Wassermenge durchströmt, so dass die Turbinendrehung, der Kolbenhub und die Triebkreuzdrehung in jedem Sektor stetig und gleichmäßig nacheinander erfolgen.
Da somit (gegenüber dem Stand der Technik) jetzt jeder Sektor seine eigene Wasserdruck- Kammer 6 besitzt, gelangt jeder Kolben zu seinem oberen Totpunkt (mit sanftem Stillstand des jeweiligen Kolbengewichtes 7) und somit die jeweils zugeordnete Wassersäule H zumindest bis zur Unterwasserhöhe hinauf. Jedes Kolbengewicht erreicht jetzt seine maximal mögliche Hubhöhe, weil jetzt der absolute, statische Wasserdruck h an der jeweils unteren Kolbenfläche ansteht. Das Gewicht des Kolbens und die Druckkraft der Wassersäule h sind in dieser Stellung identisch. In diesem Moment wird die Drehbewegung des Triebkreuzes eingeleitet (z.B. durch Entriegelung der bislang vertikalen Ausrichtung der Triebzylinder, um z. B. in maximal 20 Sekunden Zeit beendet zu sein - vgl. nachfolgende Berechnungen).
Der Rückstaudruck der Kolbengewichte hat, wie gesagt, die Verlangsamung des
Wasserdurchflusses zur Folge, weshalb es praktisch zum„Kraftschluss" der beiden
Teilwassersäulen h und h1 kommt, die sich zur Gesamtwassersäule H vereinigen. Die
Durchflussgeschwindigkeiten bzw. Wassermengen an den Turbinen und und den Triebzylindem sind somit optimal aufeinander abgestimmt. Je langsamer der Wasserdurchfluss, umso höher ist dabei der (statische) Wasserdruck.
Der Bewegungsablauf des Kolbensystems ist hierbei wie folgt:
Während in einem Sektor bei einem der beiden Triebkreuze 8 der Kolbenhub in Gange ist (jeweils links dargestellt), findet beim zweiten Triebkreuz 8, gleichzeitig die (drehmoment- und damit energieliefemde) 90°-Drehbewegung statt, da die Masse des (hier jeweils rechts im liegenden Triebzylinder befindlichen) schweren Kolbengewichts hier jeweils im Uhrzeigersinn wirkt (vgl. Pfeil im vierten Sektor) und somit zur Zentralachse (ggf. eines großen Zahnrades) ein hohes Drehmoment liefert. Anschließend wechselt diese Tätigkeit zwischen den beiden Triebzylindern 13, an deren Unterseite hierzu von je einem Schieber die Wasserzufuhr gesteuert wird (vgl. Beschreibung in Voranmeldungen des Anmelders). Der gleiche
Bewegungsablauf findet zur gleichen Zeit auch in den drei anderen Sektoren statt, jedoch versetzt in z. B. 5 Sekunden Zeitabständen. Insgesamt startet und endet also alle 5s ein Kolbenhub. Und ebenso beginnt und endet alle 5s eine 90°-Drehbewegung eines Triebkreuzes.
Durch diese kontinuierliche Energieerzeugung beim vorgeschlagenen Gravitations-Kraftwerk ergibt sich im Vergleich zu einem konventionellen Wasserkraftwerk eine wesentlich verbesserte Energieausbeute. Diese Anmeldung beinhaltet zwei Gravitations-Kraftwerktypen, A (Abb. 1) und B (Abb. 2), die weitgehend baugleich sind. Alle Triebkreuze sind hierbei um je 90° gedreht - in Bildebene gezeichnet und weisen prinzipiell gleiche Übertagungsmechanismen (z. B. auf große Zahnräder) zu einem oder mehreren Generatoren auf. Beim Kraftwerktyp A fließt Wasser aus einem (natürlichen) Speicher 10 zu und nach der Nutzung zur Energieerzeugung schließlich mit dem Unterwasser 11 ab. Beim Kraftwerktyp B wird das Unterwasser nicht zum Abfluss gebracht, sondern vom Unterwasserniveau 2 wieder bis zum Oberwassemiveau 4
hochgepumpt, um es in Art eines Pumpspeichers erneut abfließen zu lassen.
Als Daten werden zum Vergleich jene aus einem beispielhaft ausgewählten, konventionellen Wasserkraftwerk (in Oberelchingen/Donau) zugrunde gelegt:
Fallhöhe = 5,75 m
Gesamt-Wassermenge Q = 210 m3/s, jeweils 105 m3/s für jede der 2 dortigen Turbinen;
Freie Fallgeschwindigkeit V = 10,6 m/s
Berechnung in Kurzform (für Kraftwerktyp A und B):
Zunächst soll der Energiegewinn einer Turbine 13 aus einem Sektor berechnet werden. Hier fließt % der Gesamtwassermenge hindurch, so dass sich turbinenseitig (als erster Kraftwerkteil) kein wesentlicher Unterschied in der erzeugten Energiemenge beider Turbinenanlagen ergibt.
Berechnung der Energieerzeugung des zweiten Kraftwerkteils - des Kolbensystems:
Das Wasser verlässt die Turbinen mit einer Geschwindigkeit von ca. 5,3 m/s, wie der Betreiber des zum Vergleich herangezogenen Wasserkraftwerkes Oberelchingen bestätigt. Die freie Fallgeschwindigkeit wird von den Turbinen, von 10,6 m/s auf ca. 5,3 m/s verzögert, so dass die Turbinenseite mit sehr gutem Wirkungsgrad arbeitet, auch wenn eine Energiereduzierung vorliegt, die jedoch über das nun vorgeschlagene Kolbensystem mehr als wettgemacht werden kann, da der Wasserstrom zur neuerungsgemäß in Sektoren aufgeteilten Wasserdruck-Kammer in den Triebzylindem kontinuierlich genutzt wird, nämlich in den vier Sektoren, die vier vollständige Kolbenhübe bereitstellen.
Technische Daten des Kolbensystems, bzw. eines Triebzylinders:
Triebzylinderfläche = Kolbenfläche = 5041 dm^
Kolbenhubweg s = 20,83 m
Wassersäulenhöhe H, bei Kolbenstart = 26,45 m
Druckkraft auf die Kolbenflache = 1333345 kg
Kolbengewicht = 283367 kg
Hubabhängiger Wasserinhalt im Triebzylinder = 1050000 Liter
Hubzeit = ca. 20s (pro Kolbenhub mit vollständiger Füllung)
In jedem der vier Sektoren befindet sich je ein Kolbengewicht gleichzeitig - aber zeitversetzt in Aufwärtsbewegung, so dass dies bei der Hubzeit von 20s einen Zeitversatz von 5s ergibt. Es wird also alle 5s ein Kolbenhub gestartet. Folglich endet auch alle 5s ein Kolbenhub bzw. wird also alle 5s der Wasserinhalt eines Triebzylinders von 1050000 Liter in Unterwasserhöhe 2 ins Sammelbecken 1 abgegeben. Die vier stattfindenden Kolbenhübe in den vier Sektoren transportieren somit exakt die Gesamt-Wassermenge von 210 m^/s bis in Unterwasserhöhe.
Die mechanische Energie, die sich aus der Drehbewegung der Triebzylinder 13 (mit darin befindlichen Kolbengewichten 7) ergibt, ist somit erheblich, nämlich etwa in der Größenordnung der Turbinenenergie. Das Kolbensystem nutzt also aus dem statischen Druck etwa die gleiche Energiemenge wie die Turbinenanlage, wobei die in den angehobenen Kolbengewichten gespeicherte Energie über die sich ständig wiederholenden Drehbewegungen der Triebkreuze z.B. über ein Zahnradgetriebe an einen zugeordneten Generator übertragen wird.
Wie oben erwähnt, wird beim Kraftwerktyp B (vgl. Abb. 2) das Wasser nicht zum Unterwasser abgelassen, sondern anteilig in den vier unteren Wassersammelbecken 1 aufgefangen, das dem Unterwasserniveau 2 entspricht. Von hier aus wird es von Wasserpumpen P, in die vier oberen Wassersammelbecken 3 hochgepumpt, die dem Oberwasserniveau 4 entsprechen. Aus dieser Position strömt Wasser selbständig und fortlaufend zu den vier Turbineneinläufen 5, erneut durch die Turbinen 13 und schließlich wieder durch das Kolbensystem. Das Wasser oder eine andere Flüssigkeit befindet sich so in einem Kreislauf und wird immer wieder genutzt, wobei gegenüber dem Typ A (Abb. 1) die Pumpenergie zu berücksichtigen ist (ca. 30% der vom Kolbensystem gewonnenen Energie).
Vorteilhafte Wirkungen - bezüglich konventioneller Wasserkraftwerke:
- Gravitations-Kraftwerktyp A - bei Nutzung von natürlichem Speicherwasser:
Bei dieser Ausführung wird eine erhöhte Energiemenge erwirtschaftet.
- Gravitations-Kraftwerktyp B - ohne Nutzung von natürlichem Speicherwasser:
Diese Ausführung kann an beliebigen Standorten errichtet werden - auch unterirdisch.
Die Loslösung von natürlicher Wasserzufuhr erspart viel Kosten, auch dadurch, dass die Turbinenschaufeln keinem Partikelverschleiß ausgesetzt sind. Außerdem treten keine Kosten für Energiespeicher oder lange Stromleitungen auf.
Das Gravitations-Kraftwerktyp B kann auf verschiedene Weise in seiner Leistung verändert werden, vorzugsweise durch Erhöhen oder Absenken der Fallhöhe h. Durch Hinzufügen weiterer Sektoren kann eine Leistungssteigerung erfolgen oder zur Verkleinerung der
Kolbengewichte genutzt werden.
Insgesamt kann somit eine Emissionsreduzierung und Energiesicherheit sowie weitgehende Rohstoff-Unabhängigkeit erreicht werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Gravitations-Kraftwerk zur Elektrizitätsgewinnung, mit wenigstens einer Turbine (13) und einem Triebzylinder (14) mit einem darin beweglichen Kolbengewicht (7), das wechselweise vom hydrostatischen Druck in einer tiefliegenden Wasserdruck-Kammer (6) anhebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wasserdruck-Kammer (6) von wenigstens einer Trennwand (12) in mindestens zwei, bevorzugt vier Sektoren aufgeteilt ist, wobei das jeweilige Kolbengewicht (7) zum
Kolbenhubende in allen Sektoren aufeinanderfolgend auf die maximale Höhe (h1) angehoben ist.
2. Gravitations-Kraftwerk nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf Unterwasserhöhe (2) pro Sektor jeweils mindestens eine Wasserpumpe (P) angeordnet ist, um Wasser bis zum Oberwasserniveau (4) hoch zu pumpen und dieses fortlaufend erneut zu nutzen (Kraftwerktyp B).
3. Gravitations-Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Wasserdruck-Kammer (6) drei Trennwände (12) angeordnet sind, bevorzugt mit gleichmäßigem Abstand zur Bildung von Sektoren mit jeweils gleichem Volumen.
4. Gravitations-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
pro Sektor jeweils mindestens zwei Triebzylinder (14) vorgesehen sind, die bevorzugt um 90° zueinander verdreht angeordnet sind.
5. Gravitations-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
pro Sektor eine Turbine (13) vorgesehen ist.
EP15710712.9A 2014-03-04 2015-03-04 Gravitations-kraftwerk zur elektrizitätsgewinnung Ceased EP3114347A1 (de)

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