WO2004061295A2 - Wasserkraftwerk - Google Patents

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WO2004061295A2
WO2004061295A2 PCT/AT2003/000390 AT0300390W WO2004061295A2 WO 2004061295 A2 WO2004061295 A2 WO 2004061295A2 AT 0300390 W AT0300390 W AT 0300390W WO 2004061295 A2 WO2004061295 A2 WO 2004061295A2
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gravitational
hydroelectric power
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Franz ZOTLÖTERER
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Zotloeterer Franz
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    • 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
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • 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
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/132—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines creating a vortex or tornado effect
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a hydropower plant, which converts the rotational energy of a stable gravitational vortex into electrical energy.
  • Kaplan and Francis turbines are mainly used in run-of-river power plants and tidal power plants, while the Pelton turbine is predominantly used in storage power plants with a high gradient.
  • the Kaplan turbine is used in low-pressure power plants.
  • the Francis turbine can be used in low and medium pressure power plants, while the Pelton turbine is used in high pressure power plants.
  • hydroelectric power plant which is substantially less wear-resistant and therefore less maintenance and has a high degree of efficiency.
  • the hydroelectric power plant according to the invention is, according to the functional principle, not to be assigned to either the low, medium or high-pressure power plant.
  • the potential energy of the dammed up water should be converted as effectively as possible into kinetic energy and finally into electrical energy.
  • the hydropower plant according to the invention uses the tendency of the water to generate a rotating moment when it flows out of a basin through a central drain.
  • This flow phenomenon is known as a drain vortex in the bathtub and, as a special boundary condition, requires a free slope to the water level in the drain pipe to be particularly pronounced as a potential water vortex.
  • the power plant according to the invention uses such a potential water vortex, which represents the steady state of the dynamic system.
  • the steady state of a system is more economical to maintain, which means that the system returns to the steady state relatively quickly with minor external disturbances. This applies to the gravitational water vortex as well as to the drain vortex in the bathtub quickly forms again after a disturbance of the rotating flow.
  • the steady state of a system is characterized by one or more natural frequencies of the system.
  • the natural frequencies of the gravitational water vortex can be made visible as a ring flow with a contrast medium.
  • the hydropower plant according to the invention supports the formation of a potential water vortex which is as trouble-free as possible and which concentrates the kinetic energy in the form of rotational energy in its annular center. This is exactly where the main difference to conventional hydropower plants, which feed the kinetic energy of the water to the turbine through pipe systems, pressure lines or diffusers.
  • a turbine is placed coaxially in the annular high-speed center of the gravitational water vortex. The turbine is subjected to tangential contact over the entire circumference and can be flowed through freely axially. The axially acting bearing forces are therefore minimal.
  • the turbine extracts rotational energy from the vortex, which is converted into electrical energy using a generator.
  • the gravitational water vortex of the hydropower plant according to the invention does not contain any core flow. As already described above, this flow-free core area of the gravitational water vortex is guaranteed and necessary by the mandatory overhang to the underwater.
  • An accumulation basin or, more appropriately, an acceleration basin for the hydropower plant according to the invention must therefore meet the following conditions in order to allow an undisturbed, stable rotating gravitational water vortex to arise: To be available. - Secondly, this basin must have a floor that is as flat and horizontal as possible in order to be able to form a gravitational water vortex that is as stable as possible.
  • the water must be able to flow out of the outlet opening freely and in free fall, i.e. there must be a free slope between the outflow opening of the water basin and the underwater. Even a slight backflow of water in the outflow opening causes the gravitational water vortex to collapse.
  • a turbine is placed coaxially in the above-described gravitational water vortex, which is acted upon by rotating water over the entire circumference, rotates with the gravitational water vortex and delivers rotational energy to a generator via a shaft.
  • the generator speed can be changed by moving the turbine vertically on the shaft.
  • the turbine engages in different speed zones of the gravitational water vortex. So that the gravitational water vortex does not collapse when the turbine is introduced, water must be able to flow through the turbine easily in the axial direction. If the turbine is braked to a standstill, the gravitational vortex remains because the water can flow axially through the turbine.
  • Fig.l the vertical section through the axis of symmetry of the gravitational water vortex of a basin (1) according to the invention whose outflow opening (2) approximately in the middle of
  • the turbine (7) and the generator (9) remain from above through the vertical air column extended upwards visible within the gravitational water vortex.
  • the turbine (7) protrudes only with the outer blade ends but over the entire circumference in the gravitational water vortex.
  • the water flowing in a ring through the outflow opening (2) falls at least for a short distance, ie the height of the free slope (10) in free fall into the underwater (5).
  • FIG. 2 shows the plan of the basin (1) with the inflow (6), the gravitational water vortex (4), the turbine (7) visible from above, and the generator shaft (8), the generator (9) and the underwater ( 5).
  • the bearing forces for the rotating turbine which according to the invention can be easily flowed through axially, are significantly lower than, for example, for a Kaplan turbine, on which the complete hydraulic water load presses.
  • the direction of rotation of the gravitational water vortex can be determined with the simultaneous selection of a tangential inflow (6). Both a right and a left rotating stable rotating gravitational water vortex can be realized.
  • the gap width between the diffuser and the turbine is very narrow in Kaplan and Francis turbines in order to optimize efficiency.
  • the water is directed onto the turbine through one or more nozzles.
  • the water must be free from flotsam, which means that, especially in conventional small hydropower plants with a very small gap width, a fine-meshed power plant screen is necessary and, especially in the winter months, the risk of icing increases and the hydropower plant cannot be operated temporarily.
  • the hydropower plant according to the invention can be crossed by fish without being damaged. This eliminates the need for an expensive fish pass.
  • the power plant according to the invention uses a turbine (7) rotating in the middle of a large water basin (1), which has a very large gap width to the water basin (1) and its function is therefore hardly impaired by mud and flotsam.
  • a very coarse-meshed power plant screen can therefore be used, especially for small power plants, which on the one hand increases the maintenance intervals and on the other hand significantly reduces the risk of freezing in winter.
  • the high flow velocity in the gravitational water vortex (4) also reduces silting and minimizes the risk of icing in winter, which also ensures operation under extreme conditions.
  • the flow rate is reduced due to the build-up of the water, which can lead to a "tipping" (fish killing) of the water, especially in the summer months with low water supply and relatively high water temperatures due to lack of oxygen.
  • the new hydropower plant according to the invention allows the patent application dated 03.01.2003 to increase the water quality through aeration and revitalization and to lower the water temperature in the summer months due to the formation of a gravitational water vortex (4).
  • the hydropower plant according to the invention uses a gravitational vortex (4).
  • This gravitational water vortex increases the water surface in the water basin (1), so that the contact area between water and air increases significantly.
  • the rotational movement also supports the aeration process of the water flowing through the power plant.
  • the oxygen enrichment of the water through the aeration significantly supports the self-cleaning power of the water by providing additional oxygen for microorganisms, plants, fish, etc.
  • Pollutant information is understood to mean the oscillation pattern that excites a pollutant in the water and is also transmitted there in a resonance-like manner
  • These oscillation patterns of pollutants in the water are achieved either by laser or X-ray radiation, whereby toxic compounds are formed, or by ultrasound treatment or by the process of nature, namely by vortexing, as can be seen in any unregulated meandering river course.
  • the extraordinarily large gravitational water vortex (4) of the hydropower plant according to the invention offers the unique possibility to stir in the water of an entire river very effectively and thus to animate it.
  • This revitalization effect is measurable because the revitalized water absorbs less UV light and has a lower surface tension. That Firstly, the water quality can be increased in the sense of a water revitalization by the gravitational water vortex (4) and thus the process of self-cleaning of the flowing water used for energy purposes. Due to the lower surface tension, revitalized water can be more quickly absorbed by cells in a living organism, and the degradation process of pollutants in water is also accelerated.
  • groundwater in the area of the hydropower plant according to the invention and the waters to the sea are thus also affected in the sense of water revitalization.
  • the water revitalized in the hydropower plant according to the invention which has a lower absorption capacity of UV light from the sun, can lower the water temperature of the water used for energy purposes in summer when the sun is high.
  • the UV and infrared light portion of the sun makes up about 90% of the radiation intensity.
  • the hydropower plant according to the invention can counteract global warming, the so-called greenhouse effect, in that the water revitalized by the gravitational water vortex of the power plant absorbs less UV light and thus causes the water temperature to rise less in the summer months.
  • a higher water quality benefits us humans, the flora and fauna, and directly benefits the fish species in a body of water.
  • two objectives of the hydropower plant according to the invention can be aimed at in operation.
  • the case (b) can be increased to such an extent that operation without a turbine and generator is also possible and the rotational energy of the gravitational water vortex (4) is used exclusively for the aeration and revitalization of the water.
  • the potential energy is only converted into the rotational energy of the water and this is used directly for oxygenation and vortexing.
  • the generic term hydropower plant in claim 11 must be expanded.
  • water aeration would be implemented, for example, as follows: A conventional hydropower plant generates electrical energy for a compressor, which in turn blows air into the water of the hydropower plant.
  • the invention is therefore still a hydropower plant whose potential energy is converted into rotational energy due to the drop height of the water between the inlet (6) and underwater (5) and is used directly for increasing the water quality in the sense of water revitalization and aeration.
  • hydropower plant according to the invention can be used for water aeration and revitalization as a fish pass in existing weir systems.
  • the rotary basin (1) of the hydropower plant according to the invention enables the use as a backwater basin in flood regions by using the water revitalization and ventilation described above by the gravitational water vortex and the associated defined slow drainage of the water.

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Abstract

Es ist ein Charakteristikum der Erfindung ein wesentlich gegenüber den bisherigen Ausführungsformen verbessertes und kostengünstigeres Wasserkraftwerk anzugeben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wasserkraftwerken unterstützt das erfindungsgemässe Wasserkraftwerk die Ausbildung eines stabilen Gravitations-Wasserwirbels, dessen Ausbildungstendenz zwar auch bei herkömmlichen Flusskraftwerken im Oberlauf direkt vor dem Turbineneinlass als Verlustwirbel zu erkennen ist und deshalb dort so gut wie möglich unterdrückt wird. Das erfindungsgemässe Wasserkraftwerk gewährleistet hingegen ohne Druckleitungen und Leitapparate die notwendigen strömungstechnischen Randbedingungen, so dass sich die beim Abfliessen entstehende Rotationsbewegung des Wassers ungehindert zu einem stabilen Gravitations-Wasserwirbel verstärkt. Eine koaxial im Gravitationswasserwirbel rotierende am ganzen Umfang beaufschlagte Turbine entzieht dem Gravitations-Wasserwirbel Rotationsenergie die in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Zusätzlich ermöglicht das erfindungsgemässe Wasserkraftwerk im energietechnisch genutzten Gewässer eine Belüftung, um das Selbstreinigungsvermögen des Gewässers zu erhöhen, eine Verringerung der Wassertemperatur in den Sommermonaten, eine geringere Neigung zur Vereisung im Winter und eine Erhöhung der Wassergüte im Sinn einer Wasserbelebung.

Description

Wasserkraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk, welches die Rotationsenergie eines stabilen Gravitations- Wasserwirbels in elektrische Energie umwandelt.
In bekannter Weise werden bei Laufkraftwerken und Gezeitenkraftwerken vorwiegend Kaplan- und Francisturbinen eingesetzt, während bei Speicherkraftwerken mit hohem Gefälle vorwiegend die Peltonturbine Verwendung findet. In Niederdruckkraftwerken kommt die Kaplanturbine zum Einsatz. Die Francisturbine lässt sich in Nieder- und Mitteldruckkraftwerken einsetzen, während die Peltonturbine in Hochdruckkraftwerken zum Einsatz kommt.
Ausgehend von diesem hier sehr kurz zusammengefassten bekannten Stand der Technik, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wesentlich verschleißfreieres und daher wartungsärmeres Wasserkraftwerk mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen. Das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk ist dem Funktionsprinzip entsprechend weder dem Nieder-, Mittel- noch dem Hochdruckkraftwerk zu zuordnen.
Grundsätzlich soll bei einem Wasserkraftwerk die potentielle Energie des aufgestauten Wassers möglichst effektiv in kinetische Energie und schließlich in elektrische Energie gewandelt werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftwerken nutzt das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk die Tendenz des Wassers ein rotierendes Moment zu erzeugen, wenn es aus einem Becken durch einen zentralen Abfluss ausströmt. Diese Strömungserscheinung ist als Abflusswirbel in der Badewanne bekannt und benötigt als spezielle Randbedingung um besonders ausgeprägt als Potential- Wasserwirbel in Erscheinung treten zu können einen Freihang zum Wasserspiegel im Abflussrohr. Im Maßstab wesentlich größer verwendet das erfindungsgemäße Kraftwerk solch einen Potential-Wasserwirbel, der den eingeschwungenen Zustand des dynamischen Systems darstellt. Der eingeschwungener Zustand eines Systems ist energetisch günstiger aufrecht zu erhalten, wodurch das System bei kleineren äußeren Störungen relativ rasch wieder in dem eingeschwungenen Zustand zurückkehrt. Das gilt für den Gravitations- Wasserwirbel ebenso wie für den Abflusswirbel in der Badewanne der sich nach einer Störung der rotierenden Strömung rasch wieder ausbildet. Der eingeschwungene Zustand eines Systems ist durch eine oder mehrere Eigenfrequenzen des Systems gekennzeichnet. Die Eigenfrequenzen des Gravitations- Wasserwirbels können mit einem Kontrastmittel als Ringströmungen sichtbar gemacht werden. Das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk unterstützt durch seine baulichen Randbedingungen eine möglichst störungsfreie Ausbildung eines Potential-Wasserwirbels, der die kinetische Energie in Form von Rotationsenergie in seinem ringförmigen Zentrum konzentriert. Genau hier liegt der wesentliche Unterschied zu herkömmlichen Wasserkraftwerken, die durch Rohrsysteme, Druckleitungen oder Leitapparate die kinetische Energie des Wassers an die Turbine fuhren. Beim erfindungsgemäßen Kraftwerk wird eine Turbine koaxial in das ringförmige Hochgeschwindigkeitszentrum des Gravitations- Wasserwirbels platziert. Die Turbine wird am ganzen Umfang tangential beaufschlagt und ist axial frei durchströmbar. Somit sind die axial wirkenden Lagerkräfte minimal. Die Turbine entzieht dem Wasserwirbel Rotationsenergie, die mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird.
Bisher bekannte Wasserkraftwerke, die die Energie aus einem Wasserwirbel beziehen, arbeiten mit Wirbelströmungen bei denen eine Kernströmung auftritt. Speziell in der Patentschrift DE 196 23 313 AI wird mehrmals erwähnt das die Konzentration der Wirbelenergie in der Kernströmung genutzt wird. Es werden dort zusätzlich Wirbel generierende Schaufeln für die Ausbildung eines Potentialdoppelwirbels verwendet. Die Kernströmung des Wasserwirbels tritt auch im Wasserkraftwerk der Patentschrift DE 195 17 765 AI auf, weil das dort in Fig.1 abgebildete Drallrohr inklusive Turbine komplett unter Wasser liegt.
Im Gegensatz dazu beinhaltet der Gravitations-Wasserwirbel des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks keinerlei Kernströmung. Wie bereits oben beschrieben ist dieser strömungsfreie Kernbereich des Gravitations- Wasserwirbels durch den zwingend erforderlichen Überhang zum Unterwasser gewährleistet und notwendig.
Ein Staubecken oder treffender beschrieben ein Beschleunigungs-Becken für das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk muss also folgende Bedingungen erfüllen, um einen ungestörten stabil rotierenden Gravitations-Wasserwirbel entstehen zu lassen: - Erstens muss ein im Verhältnis zum gewünschten Gravitations-Wasserwirbel großer Behälter, Becken bzw. Stausee zur Verfügung stehen. - Zweitens muss dieses Becken einen möglichst ebenen und horizontalen Boden besitzen um einen möglichst stabil rotierenden Gravitations-Wasserwirbel ausbilden zu können.
- Drittens muss ungefähr in der Mitte des Beckenbodens eine möglichst kreisrunde Ausflussöffnung vorhanden sein, deren Durchmesser die ringförmig abfließende Wassermenge bestimmt.
- Viertens muss das Ausfließen des Wassers aus der Ausflussöffnung ungehindert und im freien Fall möglich sein, d.h. es muss ein Freihang zwischen Ausflussöffnung des Wasserbeckens und dem Unterwasser vorhanden sein. Ein auch nur geringer Rückstau des Wassers in der Ausflussöffnung bewirkt ein Zusammenfallen des Gravitations- Wasserwirbels.
Um erfindungsgemäß Rotationsenergie für einen Generator zu erhalten, wird koaxial in den oben beschriebenen Gravitations-Wasserwirbel eine Turbine platziert, die über den ganzen Umfang mit rotierendem Wasser beaufschlagt wird, sich mit dem Gravitations-Wasserwirbel mitdreht und Rotationsenergie über eine Welle an einen Generator liefert. Eine Änderung der Generatordrehzahl kann durch vertikales Verschieben der Turbine auf der Welle erfolgen. Die Turbine greift so in verschiedene Geschwindigkeitszonen des Gravitations-Wasserwirbels ein. Damit der Gravitations-Wasserwirbel beim Einbringen der Turbine nicht zusammenfällt, muss die Turbine in axialer Richtung leicht mit Wasser durchströmbar sein. Wenn die Turbine zum Stillstand abgebremst wird, bleibt der Gravitationswirbel darüber erhalten weil das Wasser axial durch die Turbine abfließen kann.
Im folgenden wird eine bevorzugte einfache Ausführungsform des neuen erfindungsgemäßen
Wasserkraftwerks anhand von Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt
Fig.l den vertikalen Schnitt durch die Symmetrieachse des Gravitations-Wasserwirbels eines erfindungsgemäßen Beckens (1) dessen Ausflussöffnung (2) ungefähr in der Mitte des
Beckenbodens (3) liegt. Damit sich der Gravitations-Wasserwirbel (4) ungestört ausbilden kann, darf die Beckenausflussöffnung (2) nicht in das Unterwasser (5) eintauchen. Der Ort des Zuflusses (6) am Staubecken (1) gibt die Drehrichtung des Gravitations-Wasserwirbels
(4) vor.
Die koaxial im Gravitations-Wasserwirbel (4) rotierende Turbine (7) dreht die Generatorwelle
(8) des Generators (9). Die Turbine (7) und der Generator (9) bleiben von oben durch die senkrechte nach oben erweiterte Luftsäule innerhalb des Gravitations-Wasserwirbels sichtbar. Die Turbine (7) ragt nur mit den äußeren Schaufelenden aber über den ganzen Umfang in den Gravitations-Wasserwirbel. Das ringförmig durch die Ausflussöffnung (2) strömende Wasser fällt zumindest für ein kurzes Stück, d.h. die Höhe des Freihangs (10) im freien Fall in das Unterwasser (5).
Fig.2 den Grundriss des Beckens (1) mit dem Zufluss (6), dem Gravitations-Wasserwirbel (4), der von oben sichtbaren Turbine (7), sowie der Generatorwelle (8), dem Generator (9) und dem Unterwasser (5).
Fig.3 das horizontale Geschwindigkeitsprofil v(r) mit den Strömungsgeschwindigkeiten v(+oo)=v(-∞)=0 und v(+R-ΔR)= v(-R+ΔR)=maximal des Gravitations-Wasserwirbels für die Radien | r | >R-ΔR. Im strömungsfreien Kernbereich I r | <R-ΔR ist das horizontale Geschwindigkeitsprofil v(r) der Turbine eingetragen. Deutlich ist zu erkennen, dass die Turbine (7) mit dem Radius R nur in die
Hochgeschwindigkeitszonen von R-ΔR bis R bzw. von -R bis -R+ΔR des Wasserwirbels eingreift.
Im Gegensatz zu herkömmlichen bekannten Wasserturbinen treten keine Sprungstellen im Geschwindigkeitsverlauf entlang des Radius r auf. Speziell am äußersten Umfang von bekannten Turbinen, z.B. Kaplanturbine, springt der Geschwindigkeitsvektor von sehr hohen Werten auf Null, da sich das Turbinengehäuse natürlich nicht mitdreht. Es muss aber sehr knapp um die Kaplanturbine herum gebaut werden, damit Wasser nicht ungenutzt an der Kaplanturbine vorbeiströmt. Extreme Materialbeanspruchung in diesen Bereichen begrenzen die Lebensdauer bekannter Turbinen. Auch für Treibholz müssen Rechenanlagen vorgesehen werden, um die Lebensdauer bekannter Turbinen nicht zusätzlich zu verkürzen. Beim erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk kann auf solche Rechen verzichtet werden. Treibholz wird einfach um das Wasserrad herum in das Unterwasser gespült. Die Lagerkräfte für die rotierende, erfindungsgemäß axial leicht zu durchströmende Turbine sind wesentlich geringer als beispielsweise für eine Kaplanturbine, auf die die komplette hydraulische Wasserlast drückt. Bei einem rotationssymmetrischen Becken (1) kann bei gleichzeitiger Wahl eines tangentialen Zuflusses (6) die Rotationsrichtung des Gravitations-Wasserwirbels bestimmt werden. Es ist sowohl ein rechts- als auch ein links-drehender stabil rotierender Gravitations-Wasserwirbel realisierbar.
Bei herkömmlichen Wasserkraftwerken ist bei Kaplan und Francisturbinen die Spaltbreite zwischen Leitapparat und Turbine sehr eng bemessen um den Wirkungsgrad zu optimieren. Bei einem Wasserkraftwerk mit Peltonturbine wird das Wasser durch eine oder mehrere Düsen auf die Turbine gelenkt. Das Wasser muss frei von Treibgut sein, wodurch speziell bei herkömmlichen Kleinwasserkraftwerken mit sehr geringes Spaltbreite ein feinmaschiger Kraftwerksrechen notwendig ist und vor allem in den Wintermonaten die Gefahr einer Vereisung zunimmt und das Wasserkraftwerk vorübergehend nicht betrieben werden kann.
Auf Grund der großen Spaltbreite kann das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk von Fischen ohne Schaden zu nehmen durchquert werden. Eine teure Fischaufstiegshilfe wird damit überflüssig.
Das erfindungsgemäße Kraftwerk nutzt hingegen eine mittig in einem großen Wasserbecken (1) rotierende Turbine (7), die eine sehr große Spaltbreite zum Wasserbecken (1) aufweist und in seiner Funktion daher von Schlamm und Treibgut kaum beeinträchtigt wird. Es kann daher vor allem auch bei Kleinkraftwerken ein sehr grobmaschiger Kraftwerksrechen eingesetzt werden, der einerseits die Wartungsintervalle vergrößert und andererseits vor allem die Vereisungsgefahr im Winter deutlich reduziert. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit im Gravitations-Wasserwirbel (4) verringert zusätzlich eine Verschlammung und minimiert die Vereisungsgefahr im Winter, wodurch auch ein Betrieb unter extremen Bedingungen gesichert ist.
Bei herkömmlichen Wasserkraftwerken wird konstruktionsbedingt durch das Aufstauen des Wassers die Fließgeschwindigkeit reduziert, wodurch es speziell in den Sommermonaten bei geringer Wasserführung und relativ hohen Wassertemperaturen auf Grund von Sauerstoffmangel zu einem „Kippen" (Fischsterben) der Gewässer kommen kann. Im Gegensatz dazu ermöglicht das neue erfindungsgemäße Wasserkraftwerk der Patentanmeldung vom 03.01.2003 auf Grund der Ausbildung eines Gravitations- Wasserwirbels (4) die Wassergüte durch Belüftung und Belebung zu steigern sowie die Wassertemperatur in den Sommermonaten zu senken.
In der ursprünglichen Patentanmeldung wird erläutert, dass das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk einen Gravitations-Wasserwirbel (4) nutzt. Dieser Gravitations- Wasserwirbel erhöht die Wasseroberfläche im Wasserbecken (1), sodass sich die Kontaktfläche Wasser Luft wesentlich vergrößert. Die Rotationsbewegung unterstützt zusätzlich den Belüftungsvorgang des durch das Kraftwerk fließenden Gewässers. Die durch die Belüftung durchgeführte Sauerstoffanreicherung des Wassers unterstützt wesentlich die Selbstreinigungskraft des Gewässers, indem zusätzlicher Sauerstoff für Mikroorganismen, Pflanzen, Fische usw. zur Verfügung gestellt wird.
Aus der einschlägigen Fachliteratur, zum Beispiel Diplomphysiker Dr. Wolfgang Ludwig in „Umweltmedizin von Treven Talkenberger" im Möve- Verlag 1991, ist bekannt, das durch Einwirbelung von Wasser eine Wasserbelebung einsetzt, indem die im Wasser enthaltene Schad Stoffinformation gelöscht wird. Zur Erklärung: Jeder Körper, jedes Teilchen ist auf Grund seiner Masse, seiner Struktur seiner geometrischen Ausdehnung ein schwingungsfähiges Gebilde mit mehr oder weniger ausgeprägten Eigenfrequenzen, wodurch jedem Stoff ein individuelles Frequenzsspektrum zugeordnet werden kann. Das Wasser hat die Eigenschaft diese Eigenschwingungen von gelösten Stoffen aufzunehmen und weiterzuleiten, indem es Wasserclusterstrukturen bildet deren Eigenfrequenzen sich mit den Eigenschwingungen der gelösten Stoffe in Resonanz befinden. D.h. das Wasser nimmt die Schwingungsmuster eines in ihm gelösten Stoffes an. Unter Schadstoffinformation versteht man also das Schwingungsmuster das ein Schadstoff im Wasser anregt und dort auch resonanzartig weitergeleitet wird. Die Löschung dieser Schwingungsmuster von Schadstoffen im Wasser gelingt entweder durch Laser- oder Röntgenbestrahlung wobei dabei toxische Verbindungen entstehen oder durch Ultraschallbehandlung oder durch das Verfahren der Natur, nämlich durch Einwirbelung, wie es in jedem nichtregulierten mäanderförmigen Flusslauf zu sehen ist. Der außergewöhnlich große Gravitations-Wasserwirbel (4) des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks bietet die einzigartige Möglichkeit das Wasser eines ganzen Flusses sehr effektiv einzuwirbeln und damit zu beleben.
Messbar ist dieser Belebungseffekt dadurch, dass das belebte Wasser weniger UV-Licht absorbiert und eine geringer Oberflächenspannung besitzt. D.h. es kann erstens die Wassergüte im Sinne einer Wasserbelebung durch den Gravitations-Wasserwirbel (4) und somit zusätzlich der Prozess der Selbstreinigung des energietechnisch genutzten Fließgewässers erhöht werden. Auf Grund der geringeren Oberflächenspannung kann belebtes Wasser von Zellen eines lebenden Organismus rascher resorbiert werden und damit beschleunigt sich auch der Abbauprozess von Schadstoffen im Gewässer.
Laut dem Österreicher Grander (Grander Wasserbelebungstechnologie) überträgt sich die Information belebten Wassers auch auf angrenzende Gewässer.
Damit erfährt auch das Grundwasser im Bereich des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks und die Gewässer bis zum Meer Auswirkungen im Sinne einer Wasserbelebung.
Zweitens kann durch das im erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk belebte Wasser, das eine geringere Absorptionsfähigkeit von UV-Licht der Sonne aufweist, die Wassertemperatur des energietechnisch genutzten Gewässers im Sommer bei hoch stehender Sonne gesenkt werden. Der UV- und Infrarot-Licht Anteil der Sonne macht ca. 90% der Strahlungsintensität aus. Das heißt, das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk kann der globalen Erwärmung also dem sogenannten Treibhauseffekt entgegen wirken, indem das durch den Gravitations- Wasserwirbel des Kraftwerks belebte Wasser weniger UV-Licht absorbiert und damit die Wassertemperatur in den Sommermonaten weniger stark ansteigen lässt. Nicht zuletzt kommt eine höhere Wassergüte uns Menschen, der Flora und Fauna, und in direkter Weise dem Fischartenbestand eines Gewässers zu Gute.
Entsprechend der Zusatz-Erfindung können im Betrieb zwei Zielsetzungen des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks angestrebt werden.
(a) Wird viel elektrische Energie entnommen so sinkt die Durchlüftung und Belebung des Wassers, weil der Gravitations-Wasserwirbel (4) lokal durch die Turbine gestört wird und das Wasser dadurch schneller durch die Ausflussöffnung (2) abfließt. (b) Wird hingegen weniger elektrische Energie entnommen so steigt die Verweildauer des Wassers im Gravitations-Wasserwirbel (4) und damit die Belüftung und die Belebung des Wassers.
Der Fall (b) kann soweit gesteigert werden, das auch ein Betrieb ohne Turbine und Generator möglich ist und die Rotationsenergie des Gravitations-Wasserwirbels (4) ausschließlich für die Durchlüftung und Belebung des Wassers genutzt wird. In diesem Fall wird die potentielle Energie lediglich in Rotationsenergie des Wassers umgewandelt und diese direkt für die Sauerstoffanreicherung und Einwirbelung verwendet. In dieser Hinsicht muss der Oberbegriff Wasserkraftwerk in Patentanspruch 11 erweitert werden. In herkömmlicher Technik würde die Gewässerbelüftung beispielsweise folgendermaßen realisiert werden: Ein konventionelles Wasserkraftwerk erzeugt elektrische Energie für einen Kompressor, der wiederum Luft in das Gewässer des Wasserkraftwerks einbläst. Bei der Erfindung handelt es sich also weiterhin um ein Wasserkraftwerk dessen potentielle Energie auf Grund der Fallhöhe des Wassers zwischen Zulauf (6) und Unterwasser (5) in Rotationsenergie gewandelt wird und direkt für die Erhöhung der Wassergüte im Sinn einer Wasserbelebung und Belüftung genutzt wird.
Zusätzlich kann das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk zur Wasserbelüftung und Belebung als Fischaufstiegshilfe bei bestehenden Wehranlagen eingesetzt werden.
Das Rotationsbecken (1) des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks ermöglicht unter Nutzung der oben beschriebenen Wasserbelebung und Belüftung durch den Gravitations-Wasserwirbel und den damit verbundenen definierten langsamen Abfluss des Wassers den Einsatz als Rückstaubecken in Hochwasserregionen.

Claims

Patentansprüche
1. Wasserkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Verhältnis der Abmessungen des gewünschten Gravitations-Wasserwirbel (4) großes Wasserbecken (1) vorliegt, wobei das Wasserbecken (1) einen entsprechenden Zulauf (6) und vorzugsweise einen ebenen und horizontalen Beckenboden (3) aufweist, dass eine in diesem Beckenboden befindliche, runde Ausflussöffnung (2) ungefähr mittig angeordnet ist und dass weiters ein Freihang (10) zum Unterwasser (5) vorgesehen ist, damit sich ein stabil rotierender Gravitations-Wasserwirbel (4) ausbilden kann und dessen Rotationsenergie mit Hilfe einer koaxial im Gravitations-Wasserwirbel (4) rotierenden, über den ganzen Umfang tangential beaufschlagten und ringförmig axial durchströmten Turbine (7) und einem, an die Turbine (7) gekoppelten Generator (9), in elektrische Energie umgewandelt wird.
2. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die runde Ausflussöffnung (2) im Beckenboden (3) im Durchmesser änderbar ist, um den rotierenden Gravitations-Wasserwirbel für unterschiedliche Durchflutungsmengen stabil zu halten.
3. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Generatordrehzahl durch vertikales Verschieben der Turbine (7) auf der Welle (8) erfolgt, da die Turbine (7) dadurch in verschiedene Geschwindigkeitszonen des Gravitations-Wasserwirbels eintaucht.
4. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das große Wasserbecken (1) rotationssymmetrisch geformt ist und ein tangentialer Zufluss (6) die Drehrichtung des Gravitations-Wasserwirbel vorgibt.
5. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Treibgut im Zufluss die Funktion der vom Gravitations-Wasserwirbel umströmten Turbine (7) , die eine sehr große Spaltbreite zum Wasserbecken aufweist, kaum beeinflusst und daher nur einen sehr groben Kraftwerksrechen notwendig macht, der die Reinigungsintervalle besonders bei Kleinwasserkraftwerken deutlich vergrößert.
6. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grund der hohen Rotationsgeschwindigkeit des Wassers im Gravitations-Wasserwirbel und auf Grund eines grobmaschigen Kraftwerkrechens auch ein Betrieb mit sehr verschlammten Wasser möglich ist.
7. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grund der hohen Rotationsgeschwindigkeit des Wassers im Gravitations-Wasserwirbel und auf Grund eines grobmaschigen Kraftwerkrechens die Vereisungsgefahr im Winter minimiert wird.
8. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Gewinnung von elektrischer Energie zusätzlich auch die Wassergüte im energietechnisch genutzten Gewässer verbessert wird, indem der Gravitations- Wasserwirbel (4) die Wasseroberfläche im Wasserbecken (1) wesentlich vergrößert und indem die Rotationsbewegung im Wasserbecken (1) das Wasser in hohem Maß durchlüftet und dadurch den Selbstreinigungsprozess des Gewässers unterstützt.
9. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Gewinnung von elektrischer Energie zusätzlich auch die Wassergüte im energietechnisch genutzten Gewässer verbessert wird, indem durch die Verwirbelung des Wassers im Gravitations-Wasserwirbel (4) eine Steigerung der Wassergüte im Sinn einer Wasserbelebung erreicht wird, sodass das Wasser für lebende Organismen rascher resorbierbar ist und damit der Selbstreinigungsprozess des energietechnisch genutzten als auch der an diesem angrenzenden Gewässer beschleunigt wird.
10. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grund der wasserbelebenden Wirkung des Kraftwerks die Wassertemperatur des energietechnisch genutzten Gewässers wegen der daraus resultiernden geringeren UV- Absorptionsfähigkeit von Sonnenlicht vor allem in den Sommermonaten verringert wird.
11. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, dass durch Entfernen der Turbine (7) und des elektrischen Generators (9) die Rotationsenergie im Gravitations-Wasserwirbel vollständig für die Erhöhung der Wassergüte genutzt wird und das Rotationsbecken gleichzeitig als Fischaufstiegshilfe und auch als Rückhaltebecken in Hochwasserzonen, mit langsamen durch den Gravitations- Wasserwirbel-Mechanismus geregelten Abfluss, einsetzbar ist.
12. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass auch mehrere dieser Wasserkraftwerksstrukturen kaskadiert also hintereinander oder parallel gebaut werden können.
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