WO2005078276A1 - Freistromturbinenanlage - Google Patents

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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the invention relates to free-flow turbine systems which are intended to generate economically usable electricity in free-flowing waters. They are carried by protective sheet steel jackets with flow-through housings, which increase efficiency and generate the necessary buoyancy. In addition, they serve as the buoys that delimit and mark the edges of the navigation channel.
  • My invention is therefore the task, in free-flowing, undamaged waters that have a promising economic slope, water flow, water depth and flow rate - e.g. to generate sustainable energy in economic and practical ways, now forbidden for dams, or in inefficient dams for permit-free dams - without causing ecological damage through installations and conversions, and without disturbing the landscape.
  • the power buoy will be able to cope with various threats - such as low or high water, flotsam, icing, ice burst, clogging, gravel attachments, large and sport shipping, vandalism.
  • FIG. A shows the side view - a heavy anchor (1) is used at the bottom of the river, on which two traction means (2) - anchor chains or anchor ropes and an ascent restriction rope (3) with weight ( 4) are attached.
  • the free-flow turbine system in particular the electricity buoy, is held by this device with two suspension points of the same height on the rake (16), but its height is variable, but stable in the flow direction just below or below the water surface, and in the event of floods, the weight the ascent restriction rope (3) so far under water that it evades the dangerous flotsam.
  • the free-flow turbine system itself consists of a hydrodynamic, hollow, standing, bow-forming floating body (5) that extends over the entire height of the buoy, an outer sheet steel jacket (6) with a continuously expanding square cross-section, a flow-through housing (7) , which has an approximately square inlet opening (8), in the middle a round turbine tube cylinder (9) and a rectangular outlet opening (10) in order to use the maximum possible flow cross section and to increase the flow speed at the rotor, from slow-running, axially loaded turbine wheels (11) in the maximum possible diameter with adjustable or rigid blades (12), together with the suspension (13) with generator (14) and gear (15), from the rake (16), which from the entire height is distributed at appropriate intervals, V-shaped profiles that on the bow (5) and laterally on the front edges of the flow channel (7) b are fixed in order to protect the rotors (11) from light flotsam in normal operation, from the central control unit (16) from the cavities (17) which result between the curved inner walls and the flat, box-shaped outer walls and
  • Figure B shows an example of the bow from the front, with rake (16) and floating body (5) of two combined free-flow turbine systems.
  • Figure C shows the current buoy in the floor plan with the dry housing for the central control unit (16), the above-water floats (20), the compressed air valves (18), the water filler neck (19) and the signal systems ( 21) two combined free-flow turbine systems.
  • Figure D shows the rear with the round cross sections of the turbine tube cylinders (9), the rectangular cross sections of the intake manifold outlet (10), the rotors (11) with rotor blades (12), suspension (13), generator (14) and Getnebe (15).
  • a current buoy could be built in these dimensions:

Abstract

Die Strom-Boje - Freistromturbinenanlage - ist eine Alternative zu der bisher üblichen, zuletzt aber immer schwieriger umzusetzenden Art der Stromerzeugung in Flusskraftwerken, vor allem dort, wo außer einem Stauwerk auch seitlich hohe, dichte Dämme hergestellt werden müssten, um stauen zu können. Die Strom-Boje soll die kinetische Energie der Strömung großer Wassermengen in Flüssen außerhalb der Schifffahrts-Rinne mit geringst möglichen Außenmassen bei größtmöglichem Strömungsquerschnitt nutzen. Es werden langsam laufende, axial beaufschlagte Turbinenlaufräder (11) mit starren oder beweglichen Blättern (12) in einem leistungsoptimierten Durchströmgehäuse (7) aufgehängt (13), das von einem seitlich, ober- und unterhalb umgebenden kastenförmigen Stahlblechmantel (6), und vorne von einem Stahlrechen (16) geschützt ist. Die sich zwischen innerem Durchströmgehäuse und äußerem Stahlblechmantel ergebenden Hohlräume (17) werden in Kammern unterteilt und so weit mit Wasser aufgefüllt, bis sich die Strom-Boje waagrecht liegend, knapp unter der Wasseroberfläche stabilisiert, um hier die beste Strömung zu nutzen. Bei Hochwasser wird die Strom-Boje vom Aufstiegsbegrenzungsseil (3) mit Gewicht (4) selbsttätig unter Wasser gehalten, um dem gefährlichen Treibgut auszuweichen

Description

FREISTROMTURBINENANLAGE
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf Freistromturbinenanlagen, die in frei fließenden Gewässern wirtschaftlich nutzbaren Strom erzeugen sollen. Sie werden von schützenden Stahlblech- Mänteln mit Durchströmgehäusen getragen, die den Wirkungsgrad erhöhen und den nötigen Auftrieb erzeugen. Darüber hinaus dienen sie als die Ränder der Schifffahrts- Rinne begrenzende und kennzeichnende Bojen.
Bisher wird Strom nahezu ausschließlich aus künstlich gestautem Wasser in je nach Fallhöhe schnell oder langsam laufenden Turbinen erzeugt. Vor allem in Europa ist ein weiterer Ausbau mit solchen Kraftwerken aus verschiedenen Gründen nicht mehr, oder nur schwer und teuer und gegen viele Widerstände möglich.
Es gab 1923 - AT 96377, 1924 - AT 97560 und 1Q52 - AT 170460 österreichische Patente, sowie CH 684 430 A5, JP 57-068563, JP 2001-132607 und WO 2003/056169 A1, die Turbinen in frei fließenden Gewässern beschrieben, die aber für die in Flüssen auftretenden vielfältigen Anforderungen keine oder andere Lösungsvorschläge machten.
Meine Erfindung stellt sich also die Aufgabe, in frei fließenden, ungestauten Gewässern, die entsprechendes Wirtschaftlichkeit versprechendes Gefälle, Wasserführung, Wassertiefe und Fließgeschwindigkeit aufweisen - z.B. in jetzt für Stauwerke verbotenen, oder in für genehmigungsfähige Stauwerke unwirtschaftlichen Flussstrecken - auf wirtschaftliche und praxistaugliche Art nachhaltige Energie zu erzeugen, ohne ökologischen Schaden durch Ein- und Umbauten zu verursachen, und ohne das Landschaftsbild zu stören. Die Strom-Boje wird in der Lage sein, unterschiedlichen Gefährdungen - wie Nieder- oder Hochwasser, Treibgut, Vereisung, Eisstoß, Verklausung, Schottergeschiebe, Groß- und Sportschifffahrt, Vandalismus gerecht zu werden.
Dies ist möglich, weil die beiden Turbinen in einem stabilen und widerstandsfähigen Stahlblech- Mantel(mit Einlaufrechen) eingebaut sind, der so konstruiert ist, dass die Strom-Boje nicht nur optimale Leistung aus minimalem Raumbedarf - vor allem Bauhöhe und Baubreite - bringt, sondern auch knapp unter der Wasseroberfläche schwimmend selbsttätig ohne komplizierte Steuerungen auf die jeweiligen Bedingungen im Fluss reagieren kann. Die Erfindung besteht darin, dass in einer beispielhaften Ausführungsform - Figur A zeigt die Seitenansicht - am Grund des Flusses ein schwerer Anker (1) eingesetzt wird, an dem zwei Zugmittel(2) - Ankerketten oder Ankerseile und ein Aufstiegsbegrenzungsseil (3) mit Gewicht (4), befestigt sind. Die Freistromturbinenanlage, insbesondere Strom-Boje, wird durch diese Vorrichtung mit zwei in der Höhe gleichen Aufhängungspunkten am Rechen (16) in der Höhe variabel, aber stabil in Strömungsrichtung knapp an, oder unter der Wasseroberfläche gehalten, und bei Hochwasser vom Gewicht(4) des Aufstiegsbegrenzungsseils (3) so weit unter Wasser gehalten, dass sie dem gefährlichen Treibgut ausweicht. Die Freistromturbinenanlage selbst besteht aus einem hydrodynamischen, hohlen, stehenden, den Bug bildenden, über die gesamte Höhe der Boje reichenden Schwimmkörper (5), aus einem äußeren Stahlblechmantel (6) mit einem durchgehend sich nach hinten erweiternden viereckigen Querschnitt, einem Durchströmgehäuse(7), der eine annähernd quadratische Zulauföffnung (8), in der Mitte einen runden Turbinenrohr-Zylinder (9) und eine rechteckige Austrittsöffnung (10) hat, um den maximal möglichen Durchfluss-Querschnitt zu nutzen, und die Durchfluss-geschwindigkeit am Rotor zu steigern, aus langsam laufenden, axial beaufschlagten Turbinenlaufrädern(11) im maximal möglichen Durchmesser mit verstellbaren, oder starren Blättern (12), samt Aufhängung (13) mit Generator (14) und Getriebe (15), aus dem Rechen (16), der aus über die gesamte Höhe in entsprechenden Abständen verteilten, V-förmigen Profilen besteht, die am Bug (5) und seitlich an den Vorderkanten der Strömungskanals (7) befestigt sind, um im Normalbetrieb die Rotoren (11) vor leichtem Treibgut zu schützen, aus der zentralen Regeleinheit (16) aus den Hohlräumen (17), die sich zwischen den gebogenen Innenwänden und den ebenen, kastenförmigen Außenwänden ergeben, und die in Kammern unterteilt werden, die mit der benötigten Wassermenge geflutet werden, um die Strom-Boje im Betrieb in die optimale horizontale Lage knapp unter der Wasseroberfläche zu bringen, aus Pressluft-Ventilen (18), aus Wasser- Einfüllstutzen (19) aus Überwasser-Schwimm-körpern für die Sicherung der stabilen horizontalen Lage (20) aus den Signal-Anlagen (21), aus Füssen (22) für die Wahrung der Distanz zum Flussgrund und aus den Stromkabeln (23).
Figur B zeigt beispielhaft den Bug von vorne, mit Rechen (16) und Schwimmkörper (5) zweier kombinierter Freistromturbinenanlagen.
Figur C zeigt die Strom-Boje im Grundriss mit dem trockenen Gehäuse für die zentrale Regeleinheit (16), den Überwasser-Schwimmkörpern (20), den Pressluft-Ventilen (18), den Wasser- Einfüllstutzen (19) und den Signal-Anlagen(21) zweier kombinierter Freistromturbinenanlagen.
Figur D zeigt das Heck mit den runden Querschnitten der Turbinenrohr-Zylinder (9), den rechteckigen Querschnitten des Saugrohr-Austritts (10), die Rotoren(11) mit Rotorblättern (12), Aufhängung(13), Generator(14) und Getnebe(15).
Andere Gegebenheiten als jene in der Donau können es möglich machen, mehr als zwei Rotoren nebeneinander zu hängen. Vorteile der Strom-Boje sind:
" Allein in Österreich könnten so etwa noch 500km Flussläufe ( Donau - Wachau, östlich Wiens, Oberrhein, Inn, Salzach, Enns, Drau, Mur, etc.) zur umweltschonenden Strom- Erzeugung herangezogen werden, und zusammen jährlich etwa 1500 GWha leisten.
° Der erzeugte Strom kostet maximal die Hälfte des Stroms aus Windkraftanlagen, etwas mehr als der aus Persenbeug, und ein Viertel des Stroms aus Wien - Freudenau,
° es müssen keine Ein- oder Umbauten im Fluss vorgenommen werden,
" die Strom-Bojen liegen zu 98 % unter Wasser, sind daher nahezu unsichtbar,
0 die sichtbaren, über Wasser liegenden Teile tragen Signallichter und -zeichen, und kennzeichnen die Schifffahrts- Rinne,
° es werden in Österreich viele neue Arbeitsplätze in Produktion und Montage entstehen,
" Österreich wird einen neuen Exporthit bekommen.
Nach meinen Berechnungen und den Messungen der Universität Stuttgart sind mit einem optimierten Saugmantel und einem Wirkungsgrad von 75% folgende Leistungen zu erwarten:
Beispielhaft könnte eine Strom-Boje in diesen Dimensionen gebaut werden:
2 Rotoren fi 250cm, zusammen 9,8m2 Rotorfläche, 75 % Wirkungsgrad Fließgeschwindigkeit Leistung
Niederwasser 1, 5m/s 11,6 kWh 2,0m/s 23,2 kWh 2,5m/s 46,4 kWh
Donau östlich Wiens 2,8m/s 60,0 kWh 3,0m/s 92,8 kWh 3,5m/s 139,2 kWh
Hochwasser 4,0m/s 185,6 kWh

Claims

Patentansprüche
1. Freistromturbinenanlage, insbesondere Strom-Boje, zur Erzeugung elektrischer Energie in frei fließenden Gewässern mit langsam laufenden, axial beaufschlagten Turbinenlaufrädern mit einem Generator in einem ringförmigen Schwimmkörper, wobei die Freistromturbinenanlage mittels eines Zugmittels am Gewässergrund verankert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Freistromturbinenanlage einen äußeren Stahlblechmantel^) mit einem durchgehenden viereckigen Querschnitt, und ein Durchströmgehäuse(7), welches einen etwa quadratischen Zulauf(8) einen daran anschließenden runden Turbinenrohrzylinder (9) und einen rechteckigen Auslauf (10) als leistungssteigerndes Saugrohr aufweist, und dass die Hohlräume (17) zwischen dem äußeren Stahlblechmantel (6) und dem Durchströmgehäuse (7) in der Länge nach unterteilt sind, und mit Wasser oder Druckluft derart befüllbar sind, dass die Freistromturbinenanlage in einer vertikalen Lage knapp unter der Wasseroberfläche stabilisierbar ist,
2. Freistromturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittel (2) aus zwei gleich langen Ketten oder Seilen bestehen, und dass die Seile oder Ketten in gleicher vertikaler Höhe an einem hydrodynamisch geformten hohlen Schwimmkörper (5) oder Rechen(16), welche am Bug der Freistromturbinen-anlage montiert sind, befestigbar sind, um die Freistromturbinenanlage in einer stabilen Lage in Strömungsrichtung zu halten, und ein Ausdriften zu verhindern.
3. Freistromturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese bei niederen bis hohen Normalwasserständen waagrecht knapp unter der Wasseroberfläche schwimmt, aber bei Hochwasser durch ein in bestimmter Länge begrenztes Zugmittel (3)- Seil oder Kette mit Gewicht (4) unterhalb der Freistromturbinenanlage nicht mit dem steigenden Hochwasserspiegel mitsteigt, sondern sich in ungefähdicher Tiefe hält, um dem bei Hochwasser an der Oberfläche mitgefühden gefährlichen Treibgut auszuweichen.
4. Freistromturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem äußeren Stahlblechmantel noch zusätzliche, über der Wasserlinie liegende längliche Schwimmkörper (20) befestigt werden, deren Funktionen es sind, stabilisierend zu wirken, und die Freistromturbinenanlage mit freiem Auge für die Schifffahd oder auch für Schwimmer sichtbar zu machen.
5. Freistromturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Oberseite angebrachten Signaleinrichtungen(21) die Begrenzung der Schifffahds-Rinne kennzeichnen.
6. Freistromturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite des äußeren Stahlblechmantels Füße(22) angeordnet sind, um bei extremem Niederwasser einen ausreichenden Abstand der Freistromturbinenanlage vom Flussgrund zu gewähdeisten.
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