WO2023036372A1 - Hydroelectric power facility and pumped-storage power plant having at least one such facility - Google Patents

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WO2023036372A1
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    • Y02E10/20Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to a hydroelectric power plant for converting potential energy into electrical energy, and a pumped storage power plant with at least one hydroelectric power plant of this type.
  • the European Union has committed to becoming climate neutral by 2050 in the fight against global warming and climate change through CO2 emissions. Germany has committed to reducing greenhouse gases by 55% by 2030.
  • the basic idea of this project is to use water-level power plants and the use of any form of existing and idle potential hydropower, depending on the application, in addition to wind or water flow power in hybrid version, environmentally friendly, sustainable and efficient to generate electrical energy.
  • renewable electrical energy is to be generated centrally and decentrally globally in onshore and offshore areas in temperate, subtropical and tropical climate zones.
  • drinking water can be obtained through seawater desalination and hydrogen can be produced sustainably as an energy store or environmentally friendly energy source.
  • New sales markets and jobs can be created with this type of power plant in the short and long term.
  • the water level power plant is based on the use of the potential water energy present in a body of water, which transfers energy to a buoyancy body with the help of the buoyancy of the water when the water level changes.
  • the WPK always consists of two buoyancy bodies that are connected via a common drive axle. Depending on the area of application, the buoyancy bodies are designed as cubic segments or as segments of a circle.
  • Each buoyancy body is equipped with a generator, a main gear, a switching and control cabinet with a transmission unit for electrical energy to a central power plant.
  • a common drive axle for both The buoyant body drives the generator via separating clutches and the main gear.
  • the separating clutches between the drive axle, main gearbox and generator are intended for troubleshooting, maintenance and assembly.
  • the rotational force is transmitted to the common main drive axle by means of buoyancy or gravity by rolling a common drive gear wheel with an integral gear on a gear rail. This is connected to a level track bed via a toothed rail sleeper.
  • An integral gear in the drive gear should enable a higher initial speed of the drive axle even with small and slow changes in the water level.
  • the two-sided guidance is provided by common parallel and orthogonal roller components with integrated torsion compensators, which are positioned to the side of the WPK and roll in profile rails attached parallel to the toothed rail.
  • torque compensators with toothed rails with a guide function are installed above and below the WPK on the track side. The torque and torsion compensation should guarantee trouble-free and smooth operation of the WPK.
  • Air compressors in the buoyancy bodies are intended to generate high air pressure in the integral gear of the drive gear wheel in order to prevent or minimize the ingress of water and to prevent moisture ingress in the switching and control unit.
  • a bilge pump also has the task of disposing of bilge water.
  • the double bottom of the buoyancy bodies is provided with trim and ballast tanks. All buoyancy body covers must be double-walled to protect against collision and ice drift.
  • the waterline should be below the integral gear located in the drive gear.
  • the optimal design of the buoyancy envelope must be adapted to the climatic and physical offshore conditions.
  • the electrical energy is transmitted to the consumer via a submarine cable and/or via induction loops.
  • Such a hydroelectric power plant is used to convert potential energy into electrical energy, comprising a buoyant body that is guided on a support element so that it cannot be lost and is height-adjustable Generator is assigned, which generates an electrical voltage due to a rotation of the gear, which is present via an electrical discharge on the support element to an electrical consumer.
  • the voltage can be transmitted between the generator and the electrical consumer via a sea cable or via an inductive transmitter, which interacts with an induction loop running parallel to the toothed rail in the support element.
  • the hydropower plant can be designed in such a way that the buoyant body has a bilge pump and is surrounded by an outer shell made of liquid-tight individual elements, with water preferably being pumped out of the interior of the buoyant body and/or into at least some of the individual elements with the aid of the bilge pump Position trim can be pumped in and out of them, using the buoyancy body preferably at least one air compressor is assigned, which generates an overpressure in the buoyancy body, in particular in the transmission.
  • the gear can be an integral and/or planetary gear.
  • the water power plant can be designed in such a way that support elements with toothed rollers are provided above and/or below a contact point of the gear wheel with the toothed rail, which mesh with roller rails running parallel to the toothed rail on both sides and are each supported against the buoyant body via a spring strut.
  • a further helpful configuration can be implemented in such a way that the toothed wheel and/or the at least one toothed roller has a lateral guide on both sides, preferably tapered, which encloses the teeth of the toothed rail between them.
  • the support element can be a vertical or sloping wall, in particular a dam wall.
  • the supporting element can be a tower or a round or polygonal column.
  • a further advantageous modification can provide that several buoyant bodies are distributed at least in sections around the tower or the column, preferably divided into hollow cylinder segments which together completely surround the tower or the column.
  • the water power plant can be designed in such a way that the buoyancy body is assigned a generator turbine, which is operatively connected to the electrical consumer.
  • a pumped storage power plant in which the hydroelectric power plants are geodetic in two height-staggered reservoirs are arranged, which are connected via at least one connecting line via a pump.
  • the pumped storage power plant can be provided with particular advantage with at least two hydroelectric power plants that can be operated alternately per storage basin.
  • the electrical energy obtained is transmitted to the consumer by means of induction.
  • this can also be done, in contrast to what is shown, by a submarine cable, which is led out to the outside of the WPK on the sea side and laid as a loop under the buoyancy body 2 for transfer to a transmitter station on the toothed rail side.
  • the submarine cable is guided by tapered rollers surrounding the cable, which are intended to ensure trouble-free winding and unwinding, so that the cable loop around the buoyancy body 2 is adapted to the changes in the water level.
  • the disadvantage of this type of transmission is the sagging cable loop, since large foreign objects, ice drift and water currents can lead to entanglement and the submarine cable can be damaged.
  • the solution is wireless inductive energy transmission, which enables the universal use of WPK in onshore and offshore applications.
  • the electrical energy generated in the respective WPK sections is transmitted by means of a transmitter 7 to an induction loop 8, which is integrated parallel to the up and down movement in the gear rail underground in the form of the support element 1 and which forwards it to a transformer station.
  • the electrical energy is transmitted from the transformers to the energy companies via overhead or underground lines or a submarine cable.
  • the drive gear 4 is shown with integral gear 13 and in Figure 3 an integral planetary gear 13 of the WPK with drive gear 4 is shown.
  • the large torque of the drive gear wheel 4 is intended to produce a higher speed of the common main drive axle between the WPK sections with the integral planetary gear 13 even with small changes in the water level.
  • the transmission consists of the inner gear rim 27 with the lateral guide profile of the WPK drive gear 4, the left and right-hand gear troughs 28 with the drive gear guide profile, and the two left and right crossed gear hollow axles 29 with the gear gears 30, the common main gear drive axle 26, the left and right-hand WPK section with gear abutment 31 and the four fastening and spacer axles integrated in the gear trough 28, as well as the compressed air connections 32 and the left and right gear hollow axles 29.
  • the compressed air from the air compressors 12 of the two WPK segments 25 is intended to ensure that moisture is introduced into the integral gear 13 can be prevented or minimized.
  • the outer toothed rim is flanged on both sides as a lateral guide 17--as can be seen in FIG.
  • Both side guides 17 are slightly tapered and stay on track even with torsional movement, comparable to railway wheels on rails.
  • torque compensators 33 are arranged on the lower and upper toothed rail-side FPC segment connections. In addition, they are designed with a dental splint function.
  • the WPK torque compensation element 33 consists of a swing arm mounting plate 34, a support element 14 with a guide gear wheel 35 and torque compensators 33 with a forced stopper or alternatively a leaf spring.
  • the forced stopper or the leaf spring ensure the minimum distance between the WPK Buoyancy segment 25 and the gear rail 3. A snagging caused by the pitching movement triggered by the torque is hereby prevented.
  • the gear pinion with flanges on both sides should also ensure a stable vertical upward and downward movement of the WPK buoyancy segments 2.
  • an island version of the WPK with WPK circular segments 20 can also be offered.
  • four WPK circular segments 20 are arranged around a round toothed rail column 3 and 19 .
  • Figures 5 and 6 show possible trays for such a water level island power plant.
  • the WPK in the island or the round tower version requires a round column 19 as the central core to accommodate the gear and guide rails 3 and the WPK circular segments 20.
  • the design depends on the application in the onshore and offshore areas. Three round column types 19 are available for this.
  • Onshore a gear rail column 19, consisting of a steel tube bundle 36, which is suitable for the use of WPK in pumped storage power plants on its own or in the round tower 19.
  • reinforced concrete Wood-Beton
  • FPCs can be divided into two areas of application, onshore and offshore, each with different versions.
  • the onshore WPK can be installed as a dam wall version 18 with or without an alternating chamber 39 wind generator hybrid for pumped storage power plants, as an island version with or without an alternating chamber 39 wind generator hybrid for pumped storage power plants, on paved banks and quays of inland waterways with wind generator hybrids, as well as with exchangeable buffer chamber wind generators in Hybrid shape and water turbines 21 in tandem for ship locks.
  • the WPK for pumped storage power plants as a dam wall or island version is based on pumped storage power plants, which are a form of intermediate storage of excess electrical energy from regenerative energy production for wind and hydroelectric power plants.
  • the fallow energy resource of the water level change in the reservoirs 22 should also be used in pump and turbine operation and efficiency increased.
  • the first version is with a cubic FPC buoyancy body with gear rails 3 and side rail guides on the dam wall 18, the second as a water-level alternating buffer shaft wind hybrid power plant on the dam wall 18, which is shown in Figures 7 and 8.
  • a third embodiment is a circular FPC buoyancy body arrangement 20 around a gear rail column 19 as a water level island power plant in the reservoirs 22 or, as a fourth embodiment, a water level island alternating buffer shaft wind hybrid power plant, the top view of which can be seen in Figures 7 and 8 .
  • the disadvantage of the first and third versions is the lower efficiency due to the lower and slower water level change, but the costs are lower than for the second and fourth versions.
  • Due to the alternating chamber design of the second and fourth embodiment the pump and turbine water is fed directly to the alternating chambers 39 before they are diverted to the reservoir 22 . This creates a rapid water level change and thus increases efficiency.
  • Wind turbines 40 in the shaft cover 41 of the exchangeable buffer shafts 42 use the sucked-in air when the water level drops and the compressed air when the water level rises to generate electrical energy, thereby increasing the efficiency of this WPK.
  • Another possibility of electrical see Energy generation in turbine operation offers the use of additional water turbines 21 .
  • a water turbine 21 in the outlet of the water pipe at the upper reservoir 22 to the pumped storage power plant turbine can use the potential energy of the suction gravity of the water column in addition to generating electrical energy, as can a water turbine 21 in the inlet to the water level alternating buffer shaft power plants.
  • the number of necessary water level alternating buffer shaft power plants and their design depends on the maximum water throughput capacity (m 3 /s) in pump and turbine operation, as well as depending on the weight of the displaced water volume and the cross section of the buoyancy body 2 depending on the installed generator design including accessories, ie the cross-section of the exchangeable buffer chamber 39. This specifies the level change speed and the associated energy yield.
  • the disadvantage of a WPK for pumped storage power plants in the simple version with lateral and spacer guide frames is the very slow water level change in the pumped storage lakes 22.
  • the use of WPK with alternating chamber shaft systems can noticeably increase the energy generation efficiency.
  • the pumped water or the turbine waste water is first fed into the alternating buffer chamber 39 of the modified WPK before it is discharged into the reservoirs 22.
  • the high water throughput during pump or turbine operation distributed over several such WPK, is used for a rapid change in the water level and thus an increase in efficiency is achieved.
  • the speed at which the water level changes in a WPK depends on the cross section of the WPK buoyancy body 2, the resulting cross section and the water absorption volume of an exchangeable buffer chamber shaft, as well as the pump or turbine throughput (m 3 /s).
  • the cross section of the WPK buoyancy body 2 depends on the weight of the displaced water volume and results from the installed design of the WPK.
  • a further increase in efficiency is achieved by using a water level alternating chamber wind turbine hybrid power plant.
  • a water level alternating chamber wind turbine hybrid power plant By terminating each interchangeable buffer shaft 42 with a dome 41 and an integrated wind turbine 40, when the water level changes, the sucked in or the compressed outflowing air can also be used to generate electrical energy.
  • the island version as shown in Figure 9 as a water level tower alternating chamber power plant is also an alternative.
  • FIG. 9 Also shown in FIG. 9 is a buffer chamber interchangeable hybrid FPC version.
  • the slider 43 of the turbine water supply line for the water feed assignment of the buffer exchange chamber 39 is set to through-line to the left buffer chamber 39 and right buffer chamber 39 in the lower reservoir 22 .
  • the slide 44 of the left-hand buffer chamber 39 and the slide 45 of the right-hand buffer chamber 39 are set to outlet water from the reservoir.
  • the slide 46 of the storage water intake line is set to pump operation.
  • the pump 23 of the pumped storage power plant center draws in the water from the lower reservoir 22 .
  • the water level falls in the reservoir 22 and at the same time in the two water buffer exchange chambers 39. Gravity pulls both buoyancy bodies 2 of the WPK down.
  • the drive gears 4 roll on the toothed rails 3 and convert the kinetic energy of the FPC into electrical energy.
  • Both buffer chambers 39 are covered with a hood 41, in each of which a wind turbine 40 is integrated.
  • a wind turbine 40 is integrated.
  • the electrical energy of the hybrid WPK is fed to the pumped storage power station.
  • the first step in the buffer chamber exchange pump operation is to close the slide valve 43 of the turbine water discharge.
  • the slide 37 of the pumped water supply line for the feed assignment of the buffer exchange chambers 39 and the slide 44 for the left-hand buffer chambers 39 are set through.
  • the slider 37 of the pumped water supply line 24 for the feed assignment of the buffer exchange chambers 39 and the Slider 45 for the right-hand buffer chamber 39 set through.
  • the slider 44 for the left-hand buffer chamber 39 is set to drain water into the reservoir 22 and the water level in the reservoir 22 rises.
  • the water level in the left buffer chamber 39 drops.
  • Gravity pulls both buoyancy bodies 2 of the FPC down.
  • the drive gear 4 rolls down the toothed rail 3 .
  • domes 41 each containing a wind turbine
  • the alternating loading of the two buffer chambers 39 in the upper pumped storage lake 22 is carried out in pumping operation until the maximum water level of the storage lake 22 is reached.
  • the alternating control of the buffer chamber slides 44 and 45 takes place by balancing the water level of the reservoir 22 with the water level of the left and right buffer chamber 39. If, for example, the maximum fill level is reached in the left buffer chamber 39, the buffer chamber assignment slide 43 and the slide 45 the right buffer chamber 39 set to conduction. At the same time, the slider 44 of the left-hand buffer chamber 39 is switched to reservoir discharge.
  • the left-hand buffer chamber slide 44 and the buffer-chamber assignment slide 43 are switched back to the supply line. If the water level in both buffer chambers 39 is equal to the maximum water level of the reservoir 22 and the pumping operation has come to an end, the buffer chamber allocation slider 43 is switched to both buffer chambers 39 and the sliders 44 and 45 of the left and right buffer chamber 39 are switched to the reservoir feed. In the emptied lower reservoir 22, the slide of the pumped water suction line 24 is blocked and, for example, the buffer chamber assignment slide 43 and the left buffer chamber slide 44 are switched to turbine water feed. The right buffer chamber slide 45 is set to turbine water exchange feed. Both plants are ready for turbine operation.
  • the disadvantage of the island version is the low efficiency due to the slow changes in the water level. Large drive gears 4 and gears 5 are required.
  • the solution is to use the water level wind turbine hybrid alternating chamber power plants as a dam wall version or as an island version for pumped storage power plants. As also shown in Figure 10 in the island version, the rate of rise of the water level in the alternating chambers 39 of the water level wind turbine hybrid alternating chamber power plant is noticeably increased through the direct feeding of pumped or turbine water and thus also the efficiency of this FPC . Furthermore, the high water throughput capacity is divided by the alternating feed through the changing chambers 39 .
  • the pump or turbine water is diverted to the reservoirs 22 when the maximum water level in the changing chambers 39 is reached.
  • the height of the changing chamber should be slightly higher than the maximum water level of the reservoirs 22 in order to achieve faster water drainage by gravity and to ensure that the changing chamber 39 is emptied. This ensures that the inlet and outlet slides are subsequently switched to the loading position at the point in time before a possible alternating loading of pump and turbine water.
  • Water power can be used when flooding the sluice chambers 47 and lowering the water level in the sluice chamber 47 to the lower level.
  • cascades of exchangeable chambers 39 can be used. As a result, the potential energy of the water is converted into electrical energy by the water level change and the resulting changes in air pressure in the changing chambers 39 during the lock process by this type of power plant.
  • the outflowing water can be diverted in tandem by a water turbine.
  • the lock 48 can be used like a normal water turbine power plant without a lock process.
  • the advantage here is that three untapped energy resources can be used, the water buoyancy, the wind energy and the water flow.
  • the water level alternating shaft power plant with water turbine 21 in tandem can be integrated into lock systems on both sides.
  • an additional water turbine power plant expansion can take place at river navigation locks. Especially since the power plant can be retrofitted, is sustainable and CO2-free.
  • the shipping locks water-level alternating buffer chamber hybrid power plant with water turbines in tandem work as follows.
  • the lock gates 48 are closed and the slider 49 to the water turbines is closed.
  • the slider 50 to the water-level changing buffer chambers is open in the feed position.
  • the FPC buoyancy bodies 2 rise in the buffer chambers 39 due to the buoyancy force and their kinetic energy is converted into electrical energy.
  • the air in the buffer chambers is pressed outwards by the wind turbines 40 in the cover hoods 41 and also convert electrical energy.
  • the slider 50 of the water level Exchangeable buffer chambers is placed in the outflow position to the sluice chamber 47.
  • the WPK buoyancy bodies 2 in the buffer chamber 39 sink due to the falling water level and generate electrical energy.
  • the air sucked in from the outside flows into the buffer chambers 39 through the wind turbines 40 in the cover hoods 41 and additionally converts electrical energy.
  • the water level and the ship in the lock chamber 47 rise.
  • the slide valve 51 is switched to drain to the sluice chamber 47.
  • the water level in the exchangeable buffer chamber 39 drops until it has reached the level of the water level in the sluice chamber 47 .
  • the same slide 51 is switched back to the water supply in the exchangeable buffer chamber 39 .
  • This process is repeated until the water levels of the upper shipping channel, the exchangeable buffer chambers 39 and the lock chamber 47 have the same level.
  • the upper floodgate 48 is opened.
  • the slides 50 of the water level changing buffer chambers 39 are placed in the outflow position for the lock chamber 47 .
  • the shipping lock is ready to lock a ship out of the upper canal.
  • the lock gates 48 on a ship which is in the lock are initially closed and the sliders 51 of the exchangeable buffer chambers are set to the feed position.
  • the sliders 52 for the water turbine feed are open and direct the lock water through the turbines 21 into the lower shipping canal, thereby converting electrical energy.
  • the four WPK in the exchangeable buffer chambers 39 convert electrical energy at a reduced rate of level change.
  • the lower speed of the PWK drive gears 4 is compensated for by the WPK gear 5 .
  • the four exchangeable buffer chambers 39 convert additional electrical energy with the air sucked in by the wind turbines 40 .
  • the water turbine feed valves 52 are closed and the lower sluice gate 48 can be opened.
  • the ship can exit lock chamber 47. If no ship is waiting, the lock gate 48 to the lower shipping channel can remain closed, the upper one is open.
  • the water level in the lock chamber 47 has the same level as the water level of the upper shipping channel.
  • Another example relates to hybrid water gauge bank shaft wind turbines on inland waterways. Every moving ship that moves on a navigable river or shipping canal first generates a wave trough, followed by the ship's bow wave, with the subsequent wave trough merging into the ship's stern wave.
  • the wave trough before the bow wave builds up behaves like a mini tsunami, i.e. the water pulls back from the shore and the subsequent bow wave returns to the shore with increased amplitude.
  • These water level bank shaft wind hybrid power plants can use the fallow energy resources on busy navigable rivers or shipping canals, as well as seaports such as Hamburg and Rotterdam.
  • the water level bank shaft wind hybrid power plant are integrated into fixed bank facilities 18 or quay walls 18 with water inlet and outlet below the minimum water level of the navigable waters. Efficiency increases with the number of power plants.
  • Marine FPCs are used in the maritime use of regenerative and sustainable production of electrical energy from the unlimited ten potential or kinetic energy of the sea water level change by sea waves and tides.
  • An extended use of the sea current is carried out by a sea water level current hybrid power plant.
  • the compressed and decompressed air can also be used in a hybrid function with wind turbines 40 in the shaft or tower dome 41 to generate energy.
  • the hybrid versions an increase in the efficiency of the marine FPC is achieved.
  • WPK always consist of at least two interconnected buoyancy bodies 2, each with a gear 5, generator s, sleeping and control cabinets, electrical energy transmission 7 and 8, a bilge pump 9 and an air compressor 12 for excess air pressure in the buoyancy body 2 and an integral gear 13 in the drive gear 4.
  • the Generators 6 are driven by the drive gear 4 with integral gear 13 via the common drive axle, which rolls off a vertical toothed rail 3 when the level changes.
  • the toothed rails 3 are attached vertically to a round column 19 or a hollow cylinder 19 in the case of island or tower versions or on an inner wall 19 of cubic shaft systems on coasts and quays.
  • a hybrid sea-water level tidal current hybrid power plant with an offshore wind turbine 53 would compensate for the outage if the offshore wind turbine 53 were to shut down regardless of wind conditions.
  • the efficiency of an offshore wind turbine 53 is determined by the Combination to a sea-water level tidal current hybrid power plant in hybrid version with an offshore wind turbine 53 increased in normal operation.
  • the foundation base 54 of the offshore wind turbine 53 serves as a gear rail column 19 for the application of a water-level island power plant.
  • gear rails 3 are mounted vertically, being distributed around the foundation plinth 54 of the offshore wind turbine at 90 degrees and 45 degrees to the main sea current.
  • Four torsion compensation rails 55 are offset by 45 degrees to the gear rails 3 on the foundation base 54 of the offshore wind turbine 53 attached.
  • the WPK circular segments 20 are docked to the gear rails 3 in a circle around the gear rail column 3 and 19 created in this way and connected to form a circular water level island power plant.
  • This offers the application of sea water level tidal current hybrid power plant in a hybrid version with an offshore wind power plant 53, since the arrangement and alignment of the sea current power plant takes place in the main sea current direction or in the tidal current direction.
  • the sea water level tidal wind turbine hybrid tower power plant is intended to be used in coastal waters.
  • a seawater desalination plant or a hydrogen production plant can be used in the tower roof dome 41, as shown in FIG. 13, or it can serve as a meteorological and/or marine biological research station. Desalinated seawater or hydrogen can be temporarily stored in a tank in the hollow cylinder column 19 of the toothed wheel rail.
  • a round tower 19 which merges into a caisson at its bottom, four WPK circular segments 20 are arranged around a hollow cylinder column 19 as a gear rail column 19 with an integral high-pressure storage tank.
  • gear rails 3 are vertically offset by 90 degrees and distributed on the inner round cylinder tower 19 .
  • gear rails 3 are offset by 45 degrees to the inner gear rails 3 and attached vertically to the inside of the outer cylinder tower 19 .
  • torsion compensation profile guide rails 55 are offset by 45 degrees to the gear rails 3 on the inner round cylinder tower 19 and attached vertically.
  • the upper and lower edges of the lift segments 2 on the inner and outer circle sides are each equipped with torque compensation 33 and torsion compensation 55 .
  • a water level-sea current-tidal hybrid power plant offers the ideal opportunity to generate unlimited pollution-free electrical energy.
  • Narrow fjord passages offer the mutual use of water level-sea current-tide hybrid power plants such as one in Figure 14.
  • the water level-sea current-tide hybrid power plant consists of a cubic WPK, which, recognizable in Figure 15, is embedded in a cliff 18 on the sea side open shaft 56, to which a water turbine is attached below the waterline and into the sea current protrudes.
  • WPK cubic WPK
  • sea tides and sea currents are used twice a day to generate electrical energy, as well as the varying sea waves.
  • this sea surf can be used as a potential energy resource.
  • this water level shaft power plant uses the air flowing in and out due to the varying sea water level change to generate additional electrical energy in a hybrid function.
  • the kinetic energy of the surf presses the seawater into the funnel-shaped seawater inlet channel 57.
  • the buoyant force pushes up the FPC buoyancy body 2 and the FPC drive gear wheel 4 rolls up on the toothed rail 3, thereby driving the FPC generator 6.
  • the resulting expanding air pressure in the sealed well 56 drives the wind turbines 40 of the power plant.
  • the FPC drive gear wheel 4 rolls down the toothed rail 3 and drives the FPC generator 6 .
  • the resulting negative air pressure in the closed shaft 56 draws in fresh air from outside and thus drives the wind turbine power plant.
  • the integral gear 13 in the drive gear wheel 4 is intended to generate a generator speed even with relatively low waves and small changes in the tide level.

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Abstract

Conventional off-shore wind turbines cannot provide energy when there is a storm or when there is no wind, since they have to be shut down when there is a storm, and no energy can be converted when there is too little wind. Furthermore, on the coast and in inland waters there are many unused potential sources of energy in the form of water movements which hitherto have not been utilised. According to the present invention, a floating body is provided with a drive gear and is moved upwards along a rack rail due to the level changes within the water. The kinetic energy of the upward movement is converted to electrical energy. The invention can be implemented at different locations where such level changes occur and there is sufficient installation space for a floating body according to the invention.

Description

WASSERKRAFTANLAGE UND HYDRO PLANT AND
PUMPSPEICHERKRAFTWERKPUMPED STORAGE POWER PLANT
MIT WENIGSTENS EINER SOLCHEN WITH AT LEAST ONE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage zur Umsetzung von potenzieller Energie in elektrische Energie, sowie ein Pumpspeicherkraftwerk mit wenigstens einer solchen Wasserkraftanlage. The present invention relates to a hydroelectric power plant for converting potential energy into electrical energy, and a pumped storage power plant with at least one hydroelectric power plant of this type.
Die Europäische Union hat sich verpflichtet, bis 2050 im Kampf gegen die Erderwärmung und den Klimawandel durch die CO2 Emission, klimaneutral zu werden. Deutschland hat sich verpflichtet, eine Reduzierung von Treibhausgasen bis 2030 um 55% zu senken. The European Union has committed to becoming climate neutral by 2050 in the fight against global warming and climate change through CO2 emissions. Germany has committed to reducing greenhouse gases by 55% by 2030.
Der globale Klimawandel, die Reduzierung der Nutzung von fossilen und endlichen Energieträgern, sowie daraus resultierenden steigenden alternativen Energiebedarf, erfordert die Nutzung jeglicher sich anbietenden, potentiell vorhandenen und brach liegender Energieressourcen. Auf Grund der Dringlichkeit zur Energiewende, sollten Kosten zweitrangig sein, denn das Hinauszögern steigert nur die Kosten und Folgekosten, sowie den bereits vorhandenen globalwirtschaftlichen Schaden. Bei Nichtstun sind die Folgekosten unbezahlbar. Global climate change, the reduction in the use of fossil and finite energy sources and the resulting increase in alternative energy requirements require the use of all available, potentially existing and idle energy resources. Due to the urgency of the energy transition, costs should be of secondary importance, because delaying it only increases the costs and follow-up costs, as well as the already existing global economic damage. If you do nothing, the follow-up costs are unaffordable.
Grundgedanke dieses Projektes ist es, mit Wasser-Pegel-Kraftanlagen und damit verbunden mit der Nutzung jeglicher Form von vorhandener und brach liegender potentieller Wasserkraft, je nach Anwendung zusätzlich der Wind- bzw. Wasserströmungskraft in Hybridversion, umweltfreundlich, nachhaltig und effizient elektrisch Energie zu gewinnen. Mit dieser Technik soll global im On- shore- und Offshorebereich in gemäßigten, subtropischen und tropischen Klimazonen zentral und dezentral regenerative elektrische Energie erzeugt werden. The basic idea of this project is to use water-level power plants and the use of any form of existing and idle potential hydropower, depending on the application, in addition to wind or water flow power in hybrid version, environmentally friendly, sustainable and efficient to generate electrical energy. With this technology, renewable electrical energy is to be generated centrally and decentrally globally in onshore and offshore areas in temperate, subtropical and tropical climate zones.
Neben der konventionellen Nutzung zur elektrischen Energiegewinnung, kann Trinkwasser durch Meereswasserentsalzung gewonnen und Wasserstoff als Energiespeicher bzw. umweltfreundlicher Energieträger nachhaltig erzeugt werden. In addition to conventional use for generating electrical energy, drinking water can be obtained through seawater desalination and hydrogen can be produced sustainably as an energy store or environmentally friendly energy source.
Neue Absatzmärkte und Arbeitsplätze können mit diesem Kraftanlagetyp kurz- und langfristig geschaffen werden. New sales markets and jobs can be created with this type of power plant in the short and long term.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Wasserkraftanlage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 , sowie durch ein Pumpspeicherkraftwerk gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 11 . Sinnvolle Ausgestaltungen einer solchen Wasserkraftanlage und eines solchen Pumpspeicherkraftwerks können den sich jeweils anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden. This object is achieved by a hydroelectric power plant according to the features of claim 1 and by a pumped storage power plant according to the features of independent claim 11 . Useful configurations of such a hydroelectric power station and such a pumped storage power station can be found in the subsequent dependent claims.
Erfindungsgemäß beruht die Wasser-Pegel-Kraftanlage (WPK) auf der Nutzung der in einem Gewässer vorhandenen potentiellen Wasserenergie, die bei variierenden Wasserpegeländerungen mithilfe der Auftriebskraft des Wassers Energie auf einen Auftriebskörper überträgt. Die WPK besteht immer aus zwei Auftriebskörper, die über eine gemeinsame Antriebsachse verbunden sind. Je nach Anwendungsbereich sind die Auftriebskörper als kubische Segmente oder als Kreissegmente ausgelegt. According to the invention, the water level power plant (WPK) is based on the use of the potential water energy present in a body of water, which transfers energy to a buoyancy body with the help of the buoyancy of the water when the water level changes. The WPK always consists of two buoyancy bodies that are connected via a common drive axle. Depending on the area of application, the buoyancy bodies are designed as cubic segments or as segments of a circle.
Jeder Auftriebskörper ist mit einem Generator, einem Hauptgetriebe, einem Schalt- und Kontrollschrank mit Übertragungseinheit der elektrischen Energie zu einem zentralen Kraftwerk bestückt. Eine gemeinsame Antriebsachse beider Auftriebskörper treibt jeweils über Trennkupplungen und Hauptgetriebe den Generator an. Die Trennkupplungen zwischen Antriebsachse, Hauptgetriebe und Generator sind zur Störungsbehebung, Wartung und Montage angedacht. Die Drehkraftübertragung auf die gemeinsame Hauptantriebsachse erfolgt bei einer Wasserpegeländerung mittels der Auftriebs- bzw. Schwerkraft durch das Abrollen eines gemeinsamen Antriebszahnrades mit Integralgetriebe an einer Zahnradschiene. Diese ist über eine Zahnschienenschwelle mit einem ebenen Gleisbett verbunden. Ein Integralgetriebe im Antriebszahnrad soll auch bei geringen und langsamen Wasserpegeländerungen eine höhere Anfangsdrehzahl der Antriebsachse ermöglichen. Each buoyancy body is equipped with a generator, a main gear, a switching and control cabinet with a transmission unit for electrical energy to a central power plant. A common drive axle for both The buoyant body drives the generator via separating clutches and the main gear. The separating clutches between the drive axle, main gearbox and generator are intended for troubleshooting, maintenance and assembly. When the water level changes, the rotational force is transmitted to the common main drive axle by means of buoyancy or gravity by rolling a common drive gear wheel with an integral gear on a gear rail. This is connected to a level track bed via a toothed rail sleeper. An integral gear in the drive gear should enable a higher initial speed of the drive axle even with small and slow changes in the water level.
Steigt der Wasserpegel, hebt die Wasserauftriebskraft die gemeinsamen Auftriebskörper an und versetzt das Zahnrad in eine Drehbewegung. Sinkt der Wasserpegel, zieht die Schwerkraft die gemeinsamen Auftriebskörper nach untern und versetzt das Zahnrad in entgegengesetzte Drehbewegung. Hierdurch wird jeweils die kinetische Energie über die Getriebe im Generator in elektrische Energie umgewandelt. If the water level rises, the buoyancy force of the water lifts the common buoyancy bodies and causes the gear wheel to rotate. If the water level drops, gravity pulls the common buoyancy bodies down and sets the gearwheel in the opposite rotary motion. As a result, the kinetic energy is converted into electrical energy via the gears in the generator.
Die beidseitige Führung erfolgt durch gemeinsame parallele und orthogonale Rollenkomponente mit integrierten Torsionskompensatoren, welche seitlich der WPK positioniert sind und in parallel zur Zahnschiene angebrachten Profilschienen abrollen. Um ein Verhaken der Körper in der Gleisanlage zu verhindern, sind oberhalb und unterhalb des WPK gleisseitig Drehmomentkompensatoren mit Zahnschienen in Führungsfunktion installiert. Die Drehmoment- und Torsionskompensation soll einen störungsfreien und gleichmäßigen Betrieb der WPK garantieren. The two-sided guidance is provided by common parallel and orthogonal roller components with integrated torsion compensators, which are positioned to the side of the WPK and roll in profile rails attached parallel to the toothed rail. In order to prevent the bodies from getting caught in the track system, torque compensators with toothed rails with a guide function are installed above and below the WPK on the track side. The torque and torsion compensation should guarantee trouble-free and smooth operation of the WPK.
Durch Luftkompressoren in den Auftriebskörpern soll ein Lufthochdruck im Integralgetriebe des Antriebszahnrades erzeugt werden, um eindringendes Wasser zu verhindern bzw. zu minimieren, sowie Feuchtigkeitseindrang in der Schalt- und Kontrolleinheit zu verhindern. Eine Lenzpumpe hat neben der Trimm- und Balancefunktion auch die Aufgabe, Bilgenwasser zu entsorgen. Der Doppelboden der Auftriebskörper ist mit Trimm- und Ballasttanks versehen. Alle Auftriebskörperhüllen müssen doppelwandig zum Schutz gegen Kollision und Eisgang ausgelegt sein. Die Wasserlinie soll unterhalb des sich im Antriebszahnrad befindlichen Integralgetriebes sein. Das optimale Design der Auftriebskörperhülle muss an die klimatischen und physikalischen Offshorebeding- ungen angepasst werden. Air compressors in the buoyancy bodies are intended to generate high air pressure in the integral gear of the drive gear wheel in order to prevent or minimize the ingress of water and to prevent moisture ingress in the switching and control unit. In addition to the trim and balance function, a bilge pump also has the task of disposing of bilge water. The double bottom of the buoyancy bodies is provided with trim and ballast tanks. All buoyancy body covers must be double-walled to protect against collision and ice drift. The waterline should be below the integral gear located in the drive gear. The optimal design of the buoyancy envelope must be adapted to the climatic and physical offshore conditions.
Die elektrische Energieübertragung zum Verbraucher erfolgt über ein Seekabel und/oder über Induktionsschleifen. The electrical energy is transmitted to the consumer via a submarine cable and/or via induction loops.
Eine solche Wasserkraftanlage wird zur Umsetzung von potenzieller Energie in elektrische Energie genutzt, umfasst dabei einen an einem Tragelement unverlierbar höhenverschieblich geführten Auftriebskörper, wobei dem Tragelement eine Zahnschiene zugeordnet ist, welche mit einem dem Auftriebskörper zugeordneten Zahnrad kämmt, wobei dem Zahnrad unter Zwischenschaltung eines Getriebes ein Generator zugeordnet ist, welcher aufgrund einer Drehung des Zahnrades eine elektrische Spannung erzeugt, wobei diese über eine elektrische Abführung an dem Tragelement an einem elektrischen Abnehmer anliegt. Such a hydroelectric power plant is used to convert potential energy into electrical energy, comprising a buoyant body that is guided on a support element so that it cannot be lost and is height-adjustable Generator is assigned, which generates an electrical voltage due to a rotation of the gear, which is present via an electrical discharge on the support element to an electrical consumer.
In bevorzugter Ausgestaltung kann die Spannungsübertragung zwischen dem Generator und dem elektrischen Abnehmer über ein Seekabel oder über einen induktiven Übertrager erfolgen, welcher mit einer parallel zu der Zahnschiene in dem Tragelement verlaufenden Induktionsschleife zusammenwirkt. In a preferred embodiment, the voltage can be transmitted between the generator and the electrical consumer via a sea cable or via an inductive transmitter, which interacts with an induction loop running parallel to the toothed rail in the support element.
Zudem kann die Wasserkraftanlage so gestaltet sein, dass der Auftriebskörper eine Lenzpumpe aufweist sowie rings von einer Außenhülle umschlossen ist, welche aus flüssigkeitsdichten Einzelelementen hergestellt ist, wobei vorzugsweise mithilfe der Lenzpumpe Wasser aus dem Inneren des Auftriebskörpers heraus und/oder in wenigstens einzelne der Einzelelemente zur Lagetrimmung hinein und aus ihnen heraus gepumpt werden kann, wobei dem Auftriebskörper vorzugsweise wenigstens ein Luftkompressor zugeordnet ist, welcher einen Überdruck in dem Auftriebskörper, insbesondere in dem Getriebe, erzeugt. In addition, the hydropower plant can be designed in such a way that the buoyant body has a bilge pump and is surrounded by an outer shell made of liquid-tight individual elements, with water preferably being pumped out of the interior of the buoyant body and/or into at least some of the individual elements with the aid of the bilge pump Position trim can be pumped in and out of them, using the buoyancy body preferably at least one air compressor is assigned, which generates an overpressure in the buoyancy body, in particular in the transmission.
Des Weiteren kann es sich bei dem Getriebe um ein Integral- und/oder Planetengetriebe handeln. Furthermore, the gear can be an integral and/or planetary gear.
Vorteilhafterweise kann die Wasserkraftanlage derart gestaltet sein, dass oberhalb und/oder unterhalb einer Kontaktstelle des Zahnrads mit der Zahnschiene Stützelemente mit Zahnrollen vorgesehen sind, welche mit beiderseits parallel zu der Zahnschiene verlaufenden Rollenschienen kämmen und jeweils über ein Federbein gegen den Auftriebskörper abgestützt sind. Advantageously, the water power plant can be designed in such a way that support elements with toothed rollers are provided above and/or below a contact point of the gear wheel with the toothed rail, which mesh with roller rails running parallel to the toothed rail on both sides and are each supported against the buoyant body via a spring strut.
Eine weitere hilfreiche Ausgestaltung kann dermaßen durchgeführt sein, dass das Zahnrad und/oder die wenigstens eine Zahnrolle eine beidseitige, vorzugsweise konisch auslaufende, Seitenführung aufweist, welche die Zähne der Zahnschiene zwischen sich einschließen. A further helpful configuration can be implemented in such a way that the toothed wheel and/or the at least one toothed roller has a lateral guide on both sides, preferably tapered, which encloses the teeth of the toothed rail between them.
Weiter kann das Tragelement eine senkrechte oder abschüssige Wand, insbesondere eine Staumauer, sein. Zudem kann das Tragelement ein Turm oder eine runde oder mehrkantige Säule sein. Furthermore, the support element can be a vertical or sloping wall, in particular a dam wall. In addition, the supporting element can be a tower or a round or polygonal column.
Eine weitere vorteilhafte Änderung kann vorsehen, dass mehrere Auftriebskörper zumindest abschnittsweise um den Turm oder die Säule verteilt, vorzugsweise in den Turm oder die Säule gemeinsam vollständig umgebende Hohlzylindersegmente unterteilt, sind. A further advantageous modification can provide that several buoyant bodies are distributed at least in sections around the tower or the column, preferably divided into hollow cylinder segments which together completely surround the tower or the column.
Zudem kann die Wasserkraftanlage derart gestaltet sein, dass dem Auftriebskörper eine Generatorturbine zugeordnet ist, welche mit dem elektrischen Abnehmer wirkverbunden ist. In addition, the water power plant can be designed in such a way that the buoyancy body is assigned a generator turbine, which is operatively connected to the electrical consumer.
Mit wenigstens zwei solcher Wasserkraftanlagen kann ein Pumpspeicherkraftwerk genutzt werden, bei welchem die Wasserkraftanlagen in zwei geodätisch höhenversetzten Speicherbecken angeordnet sind, welche über wenigstens eine Verbindungsleitung über eine Pumpe verbunden sind. With at least two such hydroelectric power plants, a pumped storage power plant can be used, in which the hydroelectric power plants are geodetic in two height-staggered reservoirs are arranged, which are connected via at least one connecting line via a pump.
Mit besonderem Vorteil kann das Pumpspeicherkraftwerk mit wenigstens zwei wechselweise betreibbaren Wasserkraftanlagen pro Speicherbecken versehen werden. The pumped storage power plant can be provided with particular advantage with at least two hydroelectric power plants that can be operated alternately per storage basin.
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention described above is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Es zeigen Show it
Figur 1 Grundaufbau der WPK mit Induktionsschleife Figure 1 Basic structure of the WPK with induction loop
Figur 2 Antriebszahnrad mit Integralgetriebe Figure 2 drive gear with integral gear
Figur 3 Planeten-Integralgetriebe Figure 3 planetary integral gear
Figur 4 Zahnradschienenführung und Torsions-& Drehmomentkompensation Figure 4 Gear Rail Guidance and Torsion & Torque Compensation
Figur 5 Inselkraftanlage auf Bohrpfählen Figure 5 Island power plant on bored piles
Figur 6 Böden Zahnradschienensäule Figure 6 floors gear rail column
Figur 7 WPK Inselbetrieb Figure 7 WPK isolated operation
Figur 8 Wechselkammern mit Windhybrid PWKW Figure 8 Exchange chambers with wind hybrid PWKW
Figur 9 WPK und Wind, Inselversion Figure 9 WPK and wind, island version
Figur 10 Inselbetrieb WPK mit Pumpe Figur 11 mehrere Wechselkammern Figure 10 Island operation HPK with pump Figure 11 several changing chambers
Figur 12 Windrad auf WPK und Generatorturbine Figure 12 Wind turbine on WPK and generator turbine
Figur 13 WPK-Insel mit Lagerraum Figure 13 WPK island with storage room
Figur 14 WPK an Felswand mit Brandung Figure 14 WPK on rock face with surf
Figur 15 Felswand-WPK in der Wand mit Brandung Figure 15 rock face FPC in the face with surf
In der schematischen Darstellung der Figur 1 einer WPK wird die gewonnene elektrische Energie mittels Induktion zum Verbraucher übertragen. Dies kann jedoch, anders als in der Darstellung, auch durch ein Seekabel erfolgen, welches an der WPK seeseitig nach außen herausgeführt wird und als Schlaufe unter dem Auftriebskörper 2 zur Übergabe an eine Transmitterstation zahnschienenseitig verlegt wird. Die Seekabelführung erfolgt durch kabelumschießende Kegelrollen, welche ein störungsfreies Ab- und Aufspulen gewährleisten sollen, sodass die Kabelschleife um den Auftriebskörper 2 den Wasserpegeländerungen angepasst ist. Der Nachteil dieser Übertragungsart besteht in der durchhängenden Kabelschleife, da durch große Fremdkörper, Eisgang und Wasserströmungen diese zu einem Verhaken geführt werden kann und das Seekabel dabei beschädigt werden kann. Daher ist die Lösung eine kabellose induktive Energieübertragung, welche den universalen Einsatz von WPK in der onshore als auch offshore Anwendung ermöglichen. Hierbei wird die in den jeweiligen WPK-Sektionen generierte elektrische Energie mittels Transmitter 7 auf eine Induktionsschleife 8 übertragen, welche parallel zur Auf- und Abwärtsbewegung im Zahnradschienenuntergrund in Form des Tragelements 1 integriert ist und welche an eine Transformatorstation weiterleitet. Die elektrische Energie wird von den Transformatoren via Überland- bzw. Untergrundleitung oder einem Seekabel zu den Energieunternehmen übertragen. In Figur 2 ist das Antriebszahnrad 4 mit Integralgetriebe 13 abgebildet und in Figur 3 ist ein integrales Planetengetriebe 13 des WPK mit Antriebszahnrad 4 dargestellt. Das große Drehmoment des Antriebszahnrades 4 soll mit dem Integralplanetengetriebe 13 auch bei geringen Wasserpegeländerungen eine höhere Drehzahl der gemeinsamen Hauptantriebsachse zwischen den WPK- Sektionen erzeugen. Hierdurch können die internen Planetengetriebe 13 der beiden WPK-Sektionen eine höhere Drehzahl der Generatorantriebsachse 29 erzeugen. Das Getriebe besteht aus dem inneren Zahnradkranz 27 mit seitlichem Führungsprofil des WPK-Antriebszahnrades 4, der links- und rechtsseitigen Getriebewannen 28 mit dem Antriebszahnradführungsprofil, sowie den beiden linken und rechten überkreuz angeordneten Getriebehohlachsen 29 mit den Getriebezahnrädern 30, der gemeinsamen Hauptzahnradantriebsachse 26, der linken und rechten WPK-Sektion mit Getriebewiderlager 31 und den vier in der Getriebewannen 28 integrierten Befestigungs- und Distanzachsen, sowie den Druckluftanschlüssen 32 und der linken und rechten Getriebehollachsen 29. Mit der Druckluft von den Luftkompressoren 12 der beiden WPK-Segmente 25 soll der Feuchtigkeitseintrag in das Integralgetriebe 13 verhindert bzw. minimiert werden. In the schematic representation of FIG. 1 of a WPK, the electrical energy obtained is transmitted to the consumer by means of induction. However, this can also be done, in contrast to what is shown, by a submarine cable, which is led out to the outside of the WPK on the sea side and laid as a loop under the buoyancy body 2 for transfer to a transmitter station on the toothed rail side. The submarine cable is guided by tapered rollers surrounding the cable, which are intended to ensure trouble-free winding and unwinding, so that the cable loop around the buoyancy body 2 is adapted to the changes in the water level. The disadvantage of this type of transmission is the sagging cable loop, since large foreign objects, ice drift and water currents can lead to entanglement and the submarine cable can be damaged. Therefore, the solution is wireless inductive energy transmission, which enables the universal use of WPK in onshore and offshore applications. The electrical energy generated in the respective WPK sections is transmitted by means of a transmitter 7 to an induction loop 8, which is integrated parallel to the up and down movement in the gear rail underground in the form of the support element 1 and which forwards it to a transformer station. The electrical energy is transmitted from the transformers to the energy companies via overhead or underground lines or a submarine cable. In Figure 2, the drive gear 4 is shown with integral gear 13 and in Figure 3 an integral planetary gear 13 of the WPK with drive gear 4 is shown. The large torque of the drive gear wheel 4 is intended to produce a higher speed of the common main drive axle between the WPK sections with the integral planetary gear 13 even with small changes in the water level. As a result, the internal planetary gears 13 of the two WPK sections can generate a higher speed of the generator drive axle 29 . The transmission consists of the inner gear rim 27 with the lateral guide profile of the WPK drive gear 4, the left and right-hand gear troughs 28 with the drive gear guide profile, and the two left and right crossed gear hollow axles 29 with the gear gears 30, the common main gear drive axle 26, the left and right-hand WPK section with gear abutment 31 and the four fastening and spacer axles integrated in the gear trough 28, as well as the compressed air connections 32 and the left and right gear hollow axles 29. The compressed air from the air compressors 12 of the two WPK segments 25 is intended to ensure that moisture is introduced into the integral gear 13 can be prevented or minimized.
Um ein spurgetreues Abrollen des Antriebszahnrades 4 auf der Zahnschiene 3 zu gewährleisten, ist - wie in Figur 4 erkennbar - der äußere Zahnkranz beidseitig als Seitenführung 17 geflanscht. Beide Seitenführungen 17 sind leicht konisch abgesetzt und halten auch bei Torsionsbewegung die Spur, vergleichbar mit Eisenbahnlaufrädern auf Schienen. Bei jeder Wasserpegeländerung entsteht ein großes Drehmoment auf die WPK-Segmente 25. Um dieses abzufedern werden jeweils an der unteren und oberen zahnschienenseitigen WPK- Segmentverbindungen Drehmomentkompensatoren 33 angeordnet. Zusätzlich sind sie mit einer Zahnschienenfunktion aufgelegt. Das WPK-Drehmoment- kompensationselement 33 besteht aus einer Schwingarmhalterungsplatte 34, einem Stützelement 14 mit Führungszahnrad 35 und Drehmomentkompensatoren 33 mit Zwangsstopper oder alternativ einer Blattfeder. Der Zwangsstopper oder die Blattfeder sorgen für den Mindestabstand zwischen dem WPK- Auftriebssegment 25 und der Zahnradschiene 3. Ein Verhaken durch die durch das Drehmoment ausgelöste Nickbewegung wird hierdurch verhindert. Das Zahnradritzel mit beidseitigem Flansch soll zusätzlich für eine stabile vertikale Auf- und Abwärtsbewegung der WPK-Auftriebssegmente 2 sorgen. In order to ensure that the drive gear 4 rolls true to the track on the toothed rail 3, the outer toothed rim is flanged on both sides as a lateral guide 17--as can be seen in FIG. Both side guides 17 are slightly tapered and stay on track even with torsional movement, comparable to railway wheels on rails. Each time the water level changes, a large torque is generated on the FPC segments 25. In order to cushion this, torque compensators 33 are arranged on the lower and upper toothed rail-side FPC segment connections. In addition, they are designed with a dental splint function. The WPK torque compensation element 33 consists of a swing arm mounting plate 34, a support element 14 with a guide gear wheel 35 and torque compensators 33 with a forced stopper or alternatively a leaf spring. The forced stopper or the leaf spring ensure the minimum distance between the WPK Buoyancy segment 25 and the gear rail 3. A snagging caused by the pitching movement triggered by the torque is hereby prevented. The gear pinion with flanges on both sides should also ensure a stable vertical upward and downward movement of the WPK buoyancy segments 2.
Auch kann statt der kubischen Anordnung von zwei WPK-Segmenten 25 sich eine Inselversion der WPK mit WPK-Kreissegmenten 20 anbieten. Hierbei werden vier WPK-Kreissegmente 20 um eine Rundzahnschienensäule 3 und 19 angeordnet. Instead of the cubic arrangement of two WPK segments 25, an island version of the WPK with WPK circular segments 20 can also be offered. In this case, four WPK circular segments 20 are arranged around a round toothed rail column 3 and 19 .
In Figuren 5 und 6 sind mögliche Böden für eine solche Wasserpegel-Insel- Kraftanlage dargestellt. Die WPK in der Insel- bzw. der Rundturmversion benötigt als zentralen Kern eine Rundsäule 19 zur Aufnahme der Zahnrad- und Führungsschienen 3 und der WPK-Kreissegmente 20. Die Ausführung ist abhängig von der Anwendung im Onshore- als auch im Offshorebereich. Drei Rundsäulentypen 19 bieten sich hierzu an. Onshore eine Zahnradschienensäule 19, bestehend aus einem Stahlrohrbündel 36, welche für die Anwendung von WPK bei Pumpspeicherkraftwerken alleinstehend oder im Rundturm 19 geeignet ist. Eine Zahnradschienensäule 3 und 19 aus einer Vollmaterialrundsäule 19 oder Hohlzylinderrundsäule 19 aus Stahlbeton (Wil-Beton) für den Offshorebereich, wobei die Vollmaterialrundsäule 19 sich vorteilhaft für Windkraftanlagen gestaltet, während der Hohlzylinder 38 beispielsweise für eine Turminsel-WPK geeignet ist. Figures 5 and 6 show possible trays for such a water level island power plant. The WPK in the island or the round tower version requires a round column 19 as the central core to accommodate the gear and guide rails 3 and the WPK circular segments 20. The design depends on the application in the onshore and offshore areas. Three round column types 19 are available for this. Onshore a gear rail column 19, consisting of a steel tube bundle 36, which is suitable for the use of WPK in pumped storage power plants on its own or in the round tower 19. A cogwheel rail column 3 and 19 made of a solid round column 19 or a hollow cylindrical round column 19 made of reinforced concrete (Wil-Beton) for the offshore area, with the solid round column 19 being advantageously designed for wind turbines, while the hollow cylinder 38 is suitable, for example, for a tower island WPC.
Damit sind WPK in zwei Anwendungsbereiche aufteilbar, dem Onshore- und dem Offshorebereich, mit jeweils verschiedenen Versionen. Dabei können die onshore WPK als Staumauerversion 18 mit oder ohne Wechselkammer 39- Windgeneratoren-Hybrid für Pumpspeicherkraftwerke, als Inselversion mit oder ohne Wechselkammer 39-Windgeneratoren-Hybrid für Pumpspeicherkraftwerke, an befestigten Ufern und Schiffkais von Binnenschifffahrtsstraßen mit Windgeneratorenhybrid, sowie mit Wechselpufferkammer-Windgeneratoren in Hybridform und Wasserturbinen 21 im Tandem für Schiffschleusen. Offshoremög- lichkeiten bilden sich in WPK-Hybriden mit Gezeiten- und Strömungskraftanlagen und auch mit Windturbinen 40 in Inselturmversion, sowie in Schachtversionen für Fjorde und Steilküsten sowie als Windturbinenschachthybrid für Meeresküsten mit starker Brandung und starken Gezeiten. This means that FPCs can be divided into two areas of application, onshore and offshore, each with different versions. The onshore WPK can be installed as a dam wall version 18 with or without an alternating chamber 39 wind generator hybrid for pumped storage power plants, as an island version with or without an alternating chamber 39 wind generator hybrid for pumped storage power plants, on paved banks and quays of inland waterways with wind generator hybrids, as well as with exchangeable buffer chamber wind generators in Hybrid shape and water turbines 21 in tandem for ship locks. offshore possibility Possibilities are formed in WPK hybrids with tidal and current power plants and also with wind turbines 40 in island tower version, as well as in shaft versions for fjords and cliffs as well as wind turbine shaft hybrids for sea coasts with strong surf and strong tides.
Die WPK für Pumpspeicherkraftwerke als Staumauer- bzw. Inselversion gründet auf Pumpspeicherkraftwerken, welche eine Form der Zwischenspeicherung von überschüssiger elektrischer Energie der regenerativen Energiegewinnung für Wind- und Wasserkraftanlagen sind. Hierbei soll bei Pumpspeicherkraftwerken die brachliegende Energieressource der Wasserpegeländerung der Speicherseen 22 im Pump- und Turbinenbetrieb zusätzlich genutzt und die Effizienz erhöht werden. Es bieten sich vier Ausführungsmöglichkeiten an. Die erste Ausführung ist mit kubischen WPK-Auftriebskörper mit Zahnradschienen 3 und Seitengitterführungen an der Staumauer 18, die zweite als Wasserpegel-Wechsel- Pufferschacht-Wind-Hybrid-Kraftanlage an der Staumauer 18 die in Figuren 7 und 8 dargestellt ist. Als dritte Ausrührung bietet sich eine kreisförmige WPK- Auftriebskörperanordnung 20 um eine Zahnradschienensäule 19 als Wasserpegelinselkraftanlage in den Speicherseen 22 an oder als vierte Ausführung eine Wasserpegel-Insel-Wechsel-Pufferschacht-Wind-Hybrid-Kraftanlage, deren Draufsicht man in Figuren 7 und 8 sieht. The WPK for pumped storage power plants as a dam wall or island version is based on pumped storage power plants, which are a form of intermediate storage of excess electrical energy from regenerative energy production for wind and hydroelectric power plants. In the case of pumped storage power plants, the fallow energy resource of the water level change in the reservoirs 22 should also be used in pump and turbine operation and efficiency increased. There are four possible implementations. The first version is with a cubic FPC buoyancy body with gear rails 3 and side rail guides on the dam wall 18, the second as a water-level alternating buffer shaft wind hybrid power plant on the dam wall 18, which is shown in Figures 7 and 8. A third embodiment is a circular FPC buoyancy body arrangement 20 around a gear rail column 19 as a water level island power plant in the reservoirs 22 or, as a fourth embodiment, a water level island alternating buffer shaft wind hybrid power plant, the top view of which can be seen in Figures 7 and 8 .
Nachteil der ersten und dritten Ausführung ist die geringere Effizienz bedingt durch die geringere und langsamere Wasserpegeländerung, jedoch sind die Kosten günstiger als für die zweite und vierte Ausführung. Durch die Wechselkammerausführung der zweiten und vierten Ausführung wird das Pump- und Turbinenwasser den Wechselkammern 39 direkt zugeführt, bevor sie zum Speichersee 22 abgeleitet werden. Hierdurch wird eine schnelle Wasserpegeländerung erzeugt und damit die Effizienz erhöht. Durch Windturbinen 40 in der Schachtabdeckung 41 der Wechselpufferschächte 42, wird die angesaugte Luft bei Wasserpegelabsenkung und die komprimierte Luft bei steigendem Wasserpegel zusätzlich als elektrische Energiegewinnung genutzt und dadurch wird eine erhöhte Effizienz dieser WPK erzielt. Eine weitere Möglichkeit der elektri- sehen Energiegewinnung im Turbinenbetrieb bietet der Einsatz von zusätzlichen Wasserturbinen 21 . Eine Wasserturbine 21 im Abgang der Wasserleitung am oberen Speichersee 22 zur Pumpspeicherkraftwerkturbine kann die potentielle Energie der Saugschwerkraft der Wassersäule zusätzlich zur elektrischen Energiegewinnung zu nutzen, wie auch eine Wasserturbine 21 im Einlauf zu den Wasserpegel-Wechselpufferschacht-Kraftanlagen. The disadvantage of the first and third versions is the lower efficiency due to the lower and slower water level change, but the costs are lower than for the second and fourth versions. Due to the alternating chamber design of the second and fourth embodiment, the pump and turbine water is fed directly to the alternating chambers 39 before they are diverted to the reservoir 22 . This creates a rapid water level change and thus increases efficiency. Wind turbines 40 in the shaft cover 41 of the exchangeable buffer shafts 42 use the sucked-in air when the water level drops and the compressed air when the water level rises to generate electrical energy, thereby increasing the efficiency of this WPK. Another possibility of electrical see Energy generation in turbine operation offers the use of additional water turbines 21 . A water turbine 21 in the outlet of the water pipe at the upper reservoir 22 to the pumped storage power plant turbine can use the potential energy of the suction gravity of the water column in addition to generating electrical energy, as can a water turbine 21 in the inlet to the water level alternating buffer shaft power plants.
Die Anzahl der notwendigen Wasserpegel-Wechselpufferschacht-Kraftanlagen und deren Auslegung ist abhängig von der maximalen Wasserdurchsatzleistung (m3/s) im Pump- und Turbinenbetrieb, als auch abhängig vom Gewicht der verdrängten Wassermenge und dem Querschnitt des Auftriebskörpers 2 in Abhängigkeit von der installierten Generatorauslegung samt Zubehör, also damit dem Querschnitt der Wechselpufferkammer 39. Dies gibt die Pegeländerungsge- schwindigkeit vor und die damit verbundene Energieausbeute. The number of necessary water level alternating buffer shaft power plants and their design depends on the maximum water throughput capacity (m 3 /s) in pump and turbine operation, as well as depending on the weight of the displaced water volume and the cross section of the buoyancy body 2 depending on the installed generator design including accessories, ie the cross-section of the exchangeable buffer chamber 39. This specifies the level change speed and the associated energy yield.
Der Nachteil einer WPK für Pumpspeicherkraftwerke in der Einfachversion mit Seiten- und Distanzführungsrahmen, ist die sehr langsame Wasserpegeländerung in den Pumpspeicherseen 22. Durch den Einsatz von WPK mit Wechselkammerschachtanlagen, kann die Energiegewinnungseffizienz merklich erhöht werden. Hierbei wird das Pumpwasser bzw. das Turbinenabwasser zuerst in die Wechselpufferkammer 39 der modifizierten WPK eingespeist, bevor sie in die Speicherseen 22 abgeleitet werden. Hierdurch wird der hohe Wasserdurchsatz bei Pump- bzw. Turbinenbetrieb, verteilt auf mehrere solche WPK, für eine schnelle Wasserpegeländerung genutzt und hiermit eine Effizienzerhöhung erzielt. Die Wasserpegeländerungsgeschwindigkeit in einer WPK ist abhängig vom Querschnitt der WPK-Auftriebskörper 2, dem hieraus resultierenden Querschnitt und dem Wasseraufnahmevolumen eines Wechselpufferkammerschachtes, sowie von dem Pump- bzw. Turbinenleistungsdurchsatz (m3/s). Der Querschnitt der WPK-Auftriebskörper 2 ist abhängig vom Gewicht des verdrängten Wasservolumens und resultiert aus der installierten Auslegung der WPK. Durch die Anwendung mehrerer WPK kann das Wasserdurchsatzvolumen in Pump- bzw. Turbinenbetrieb eines Pumpspeicherkraftwerks auf mehrere WPK gleichmäßig aufgeteilt werden. The disadvantage of a WPK for pumped storage power plants in the simple version with lateral and spacer guide frames is the very slow water level change in the pumped storage lakes 22. The use of WPK with alternating chamber shaft systems can noticeably increase the energy generation efficiency. Here, the pumped water or the turbine waste water is first fed into the alternating buffer chamber 39 of the modified WPK before it is discharged into the reservoirs 22. As a result, the high water throughput during pump or turbine operation, distributed over several such WPK, is used for a rapid change in the water level and thus an increase in efficiency is achieved. The speed at which the water level changes in a WPK depends on the cross section of the WPK buoyancy body 2, the resulting cross section and the water absorption volume of an exchangeable buffer chamber shaft, as well as the pump or turbine throughput (m 3 /s). The cross section of the WPK buoyancy body 2 depends on the weight of the displaced water volume and results from the installed design of the WPK. By using several WPK, the water throughput volume in pump or turbine operation of a pumped storage power plant can be divided evenly over several heat exchangers.
Eine weitere Effizienzerhöhung wird durch eine Anwendung einer Wasserpegel- Wechselkammer-Windturbinen-Hybridkraftanlage erzielt. Durch den Abschluss jedes Wechselpufferschachtes 42 mit einer Kuppel 41 und integrierter Windturbine 40 kann zusätzlich, bei einer Wasserpegeländerung, die angesaugte bzw. die komprimierte ausströmende Luft zur elektrischen Energiegewinnung genutzt werden. Neben der kubischen Wasserpegel-Staumauer-Wechselkammerkraft- anlage bietet sich auch alternativ die Inselversion wie in Figur 9 dargestellt als Wasserpegelturm-Wechselkammerkraftanlage an. A further increase in efficiency is achieved by using a water level alternating chamber wind turbine hybrid power plant. By terminating each interchangeable buffer shaft 42 with a dome 41 and an integrated wind turbine 40, when the water level changes, the sucked in or the compressed outflowing air can also be used to generate electrical energy. In addition to the cubic water level dam wall alternating chamber power plant, the island version as shown in Figure 9 as a water level tower alternating chamber power plant is also an alternative.
Weiter in Figur 9 wird eine Pufferkammer-Wechsel-Hybrid-WPK Version dargestellt. Im Pumpbetrieb ist im unteren Speichersee 22 der Schieber 43 der Turbinenwasserzuleitung für die Wassereinspeisezuordnung der Pufferwechselkammer 39 auf Durchleitung zur linken Pufferkammer 39 und rechte Pufferkammer 39 gestellt. Der Schieber 44 der linken Pufferkammer 39 und der Schieber 45 der rechten Pufferkammer 39 sind auf Speicherseewasserauslauf gestellt. Der Schieber 46 der Speicherwasseransaugleitung ist auf Pumpbetrieb gestellt. Während des Pumpbetriebes saugt die Pumpe 23 der Pumpspeicherkraftwerkzentrale das Wasser des unteren Speichersees 22 an. Der Wasserpegel fällt im Speichersee 22 und gleichzeitig in den beiden Wasserpufferwechselkammern 39. Die Schwerkraft zieht beide Auftriebskörper 2 der WPK nach unten. Die Antriebszahnräder 4 rollen an den Zahnschienen 3 ab und wandeln die kinetische Energie der WPK in elektrische um. Beide Pufferkammern 39 sind mit einer Haube 41 abgedeckt, in denen jeweils eine Windturbine 40 integriert ist. Beim Absinken des Wasserpegels und der beiden WPK- Auftriebskörper 2 wird Luft angesaugt und in den Windturbinen 40 in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie der Hybrid WPK wird der Pumpspeicherkraftzentrale zugeführt. Im oberen Speichersee 22 ist mit Bezug auf Figur 8 der erste Schritt im Pufferkammerwechselpumpbetrieb, den Schieber 43 der Turbinenwasserableitung zu schließen. Der Schieber 37 der Pumpwasserzuleitung für die Einspeisezuordnung der Pufferwechselkammern 39 und der Schieber 44 für die linken Pufferkammern 39 sind durchgestellt. Steigt der Wasserpegel an, so hebt die Auftriebskraft den linken WPK-Auftriebskörper 2 an und das Antriebszahnrad 4 tollt auf der Zahnschiene 3 ab. Die Schwerkraft zieht beide Auftriebskörper 2 der linken WPK nach unten. Die Antriebszahnräder 4 rollen an den Zahnschienen 3 ab und wandeln die kinetische Energie in der WPK in elektrische um. Beide Pufferkammern 39 sind mit einer Haube 41 abgedeckt, in denen jeweils eine Windturbine 40 integriert ist. Beim Absinken des Wasserpegels in beiden WPK wird Luft angesaugt und in den Windturbinen 40 in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie der Hybrid WPK wird der Pumpspeicherkraftzentrale zugeführt. Also shown in FIG. 9 is a buffer chamber interchangeable hybrid FPC version. In pump operation, the slider 43 of the turbine water supply line for the water feed assignment of the buffer exchange chamber 39 is set to through-line to the left buffer chamber 39 and right buffer chamber 39 in the lower reservoir 22 . The slide 44 of the left-hand buffer chamber 39 and the slide 45 of the right-hand buffer chamber 39 are set to outlet water from the reservoir. The slide 46 of the storage water intake line is set to pump operation. During the pumping operation, the pump 23 of the pumped storage power plant center draws in the water from the lower reservoir 22 . The water level falls in the reservoir 22 and at the same time in the two water buffer exchange chambers 39. Gravity pulls both buoyancy bodies 2 of the WPK down. The drive gears 4 roll on the toothed rails 3 and convert the kinetic energy of the FPC into electrical energy. Both buffer chambers 39 are covered with a hood 41, in each of which a wind turbine 40 is integrated. When the water level and the two WPK buoyancy bodies 2 drop, air is sucked in and converted into electrical energy in the wind turbines 40 . The electrical energy of the hybrid WPK is fed to the pumped storage power station. In the upper reservoir 22, with reference to FIG. 8, the first step in the buffer chamber exchange pump operation is to close the slide valve 43 of the turbine water discharge. The slide 37 of the pumped water supply line for the feed assignment of the buffer exchange chambers 39 and the slide 44 for the left-hand buffer chambers 39 are set through. If the water level rises, the buoyant force lifts the left WPK buoyancy body 2 and the drive gear wheel 4 romps on the toothed rail 3. Gravity pulls both buoyancy bodies 2 of the left FPC down. The drive gears 4 roll on the toothed rails 3 and convert the kinetic energy in the FPC into electrical energy. Both buffer chambers 39 are covered with a hood 41, in each of which a wind turbine 40 is integrated. When the water level in both WPK drops, air is sucked in and converted into electrical energy in the wind turbines 40 . The electrical energy of the hybrid WPK is fed to the pumped storage power station.
Im zweiten Schritt wird, nachdem im oberen Pumpspeichersee 22 an der Staumauer 19 der linke WPK-Auftriebskörper 2 in der linken Pufferkammer 39 den maximalen Wasserpegel des Speichersees 22 erreicht hat, der Schieber 37 der Pumpwasserzuleitung 24 für die Einspeisezuordnung der Pufferwechselkam- mern 39 und der Schieber 45 für die rechte Pufferkammer 39 durchgestellt. Gleichzeitig ist der Schieber 44 für die linke Pufferkammer 39 auf Wasserableitung in den Speichersee 22 durchgestellt und der Wasserpegel des Speichersees 22 steigt. Der Wasserpegel in der linken Pufferkammer 39 sinkt. Die Schwerkraft zieht beide Auftriebskörper 2 der WPK nach unten. Das Antriebszahnrad 4 rollt an der Zahnschiene 3 nach unten ab. Gleichzeitig steigt der Wasserpegel in der rechten Pufferkammer 39 an und die Auftriebskraft hebt den rechten WPK-Auftriebsköper 2 an, wodurch das Antriebszahnrad 4 auf der Zahnschiene 3 nach oben abrollt. Somit wird sowohl beim Anstieg als auch beim Absinken in den WPK elektrische Energie erzeugt. Beide PufferkammernIn the second step, after the left WPK buoyancy body 2 in the left buffer chamber 39 has reached the maximum water level of the reservoir 22 in the upper pumped storage lake 22 on the dam wall 19, the slider 37 of the pumped water supply line 24 for the feed assignment of the buffer exchange chambers 39 and the Slider 45 for the right-hand buffer chamber 39 set through. At the same time, the slider 44 for the left-hand buffer chamber 39 is set to drain water into the reservoir 22 and the water level in the reservoir 22 rises. The water level in the left buffer chamber 39 drops. Gravity pulls both buoyancy bodies 2 of the FPC down. The drive gear 4 rolls down the toothed rail 3 . At the same time, the water level in the right-hand buffer chamber 39 rises and the buoyant force lifts the right-hand FPC buoyant body 2, as a result of which the drive gear wheel 4 rolls upwards on the toothed rail 3. Thus, electrical energy is generated both when rising and when falling in the WPK. Both buffer chambers
39 sind oben mit Kuppeln 41 abgeschlossen, in denen jeweils eine Windturbine39 are completed at the top with domes 41, each containing a wind turbine
40 integriert ist. Bei Absinken des Wasserpegels und damit des WPK- Auftriebskörpers 2 wird in der Pufferkammer 39 Luft durch die Windturbinen 40 angesaugt bzw. beim Anstieg wird Luft durch die Windturbinen 40 nach außen gepresst und deren Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. 40 is integrated. When the water level drops and thus the WPK buoyancy body 2, air is in the buffer chamber 39 through the wind turbines 40 air is sucked in or, during the rise, is pressed outwards by the wind turbines 40 and their kinetic energy is converted into electrical energy.
Die wechselweise Beschickung der beiden Pufferkammern 39 im oberen Pumpspeichersee 22 wird im Pumpbetrieb so lange durchgeführt, bis der maximale Wasserpegel des Speichersees 22 erreicht ist. Die wechselweise Steuerung der Pufferkammerschieber 44 und 45 erfolgt durch den Ausgleich des Wasserpegels des Speichersees 22 mit dem Wasserpegel der linken bzw. der rechten Pufferkammer 39. Wird z.B. der maximale Füllpegelstand in der linken Pufferkammer 39 erreicht, so wird der Pufferkammerzuordnungsschieber 43 und der Schieber 45 der rechten Pufferkammer 39 auf Durchleitung gestellt. Gleichzeitig wird der Schieber 44 der linken Pufferkammer 39 auf Speicherseeeinleitung durchgestellt. Ist beim Entleeren der Wasserpegel der linken Pufferkammer 39 gleich dem Wasserpegel des Speichersees 22, wird der linke Pufferkammerschieber 44 und der Pufferkammerzuordnungsschieber 43 wieder auf Zuleitung durchgestellt. Ist in beiden Pufferkammern 39 der Wasserpegel gleich dem maximalen Wasserpegel des Speichersees 22 und der Pumpbetrieb hat sein Ende erreicht, wird der Pufferkammerzuordnungsschieber 43 auf beide Pufferkammern 39 durchgestellt und die Schieber 44 und 45 der linken und rechten Pufferkammer 39 werden auf Speicherseeeinspeisung durchgestellt. Im entleerten unteren Speichersee 22 wird der Schieber der Pumpwasserabsaugleitung 24 gesperrt und z.B. der Pufferkammerzuordnungsschieber 43 und der linke Pufferkammerschieber 44 wird auf Turbinenwassereinspeisung durchgestellt. Der rechte Pufferkammerschieber 45 ist auf Turbinenwasserwechseleinspeisung gestellt. Beide Anlagen sind bereit für den Turbinenbetrieb. The alternating loading of the two buffer chambers 39 in the upper pumped storage lake 22 is carried out in pumping operation until the maximum water level of the storage lake 22 is reached. The alternating control of the buffer chamber slides 44 and 45 takes place by balancing the water level of the reservoir 22 with the water level of the left and right buffer chamber 39. If, for example, the maximum fill level is reached in the left buffer chamber 39, the buffer chamber assignment slide 43 and the slide 45 the right buffer chamber 39 set to conduction. At the same time, the slider 44 of the left-hand buffer chamber 39 is switched to reservoir discharge. If the water level in the left-hand buffer chamber 39 is the same as the water level in the reservoir 22 when it is being emptied, the left-hand buffer chamber slide 44 and the buffer-chamber assignment slide 43 are switched back to the supply line. If the water level in both buffer chambers 39 is equal to the maximum water level of the reservoir 22 and the pumping operation has come to an end, the buffer chamber allocation slider 43 is switched to both buffer chambers 39 and the sliders 44 and 45 of the left and right buffer chamber 39 are switched to the reservoir feed. In the emptied lower reservoir 22, the slide of the pumped water suction line 24 is blocked and, for example, the buffer chamber assignment slide 43 and the left buffer chamber slide 44 are switched to turbine water feed. The right buffer chamber slide 45 is set to turbine water exchange feed. Both plants are ready for turbine operation.
Wie bei der einfachen Staumauer-WPK, besteht auch bei der Inselversion der Nachteil in der geringen Effizienz durch die langsamen Wasserpegeländerungen. Große Antriebzahnräder 4 und Getriebe 5 sind erforderlich. Lösung ist die Anwendung der Wasserpegel-Windturbinen-Hybridwechselkammer- Kraftanlagen als Staumauerversion oder als Inselversion für Pumpspeicherkraftwerke. Wie auch in Figur 10 in der Inselversion dargestellt, wird durch die direkte Einspeisung von Pump- bzw. Turbinenwasser die Steiggeschwindigkeit der Wasserpegel in den Wechselkammern 39 der Wasser-Pegel-Windturbinen-Hybrid- Wechselkammer-Kraftanlage merklich erhöht und hiermit auch die Effizienz diese WPK. Weiterhin wird durch die Wechselkammern 39 die hohe Wasserdurchsatzleistung durch die wechselweise Beschickung aufgeteilt. Wechselweise wird das Pump- bzw. Turbinenwasser, bei Erreichen der maximalen Wasserpegelhöhe in den Wechselkammern 39, an die Speicherseen 22 abgeleitet. Die Wechselkammerhöhe sollte etwas höher sein, als der maximale Wasserpegel der Speicherseen 22, um durch die Schwerkraft eine schnellere Wasserableitung zu erreichen und eine Entleerung der Wechselkammer 39 sicherzustellen. Damit wird eine anschließende Umstellung der Zu- und Ableitungsschieber in Beschickungsposition zum Zeitpunkt vor einer möglichen Wechselbeschickung von Pump- und Turbinenwasser gewährleistet. As with the simple dam wall FPC, the disadvantage of the island version is the low efficiency due to the slow changes in the water level. Large drive gears 4 and gears 5 are required. The solution is to use the water level wind turbine hybrid alternating chamber power plants as a dam wall version or as an island version for pumped storage power plants. As also shown in Figure 10 in the island version, the rate of rise of the water level in the alternating chambers 39 of the water level wind turbine hybrid alternating chamber power plant is noticeably increased through the direct feeding of pumped or turbine water and thus also the efficiency of this FPC . Furthermore, the high water throughput capacity is divided by the alternating feed through the changing chambers 39 . Alternately, the pump or turbine water is diverted to the reservoirs 22 when the maximum water level in the changing chambers 39 is reached. The height of the changing chamber should be slightly higher than the maximum water level of the reservoirs 22 in order to achieve faster water drainage by gravity and to ensure that the changing chamber 39 is emptied. This ensures that the inlet and outlet slides are subsequently switched to the loading position at the point in time before a possible alternating loading of pump and turbine water.
Durch den oberen Abschluss durch Kuppeln 41 mit integrierten Windturbinen 40 kann über die angesaugte bzw. komprimierte Luft bei Wasserpegeländerungen in den Wechselkammern 39 zusätzlich elektrische Energie erzeugt werden. Durch diese Wasser-Pegel-Windturbinen-Hybrid-Wechselkammer-Kraftanlage kann die Effizienz eines Pumpspeicherkraftwerks merklich erhöht werden. Die Auslegung der Wasser-Pegel-Windturbinen-Hybrid-Wechselkammer- Kraftanlage ist abhängig vom Durchsatz der Pump- bzw. Turbinenwasserleistung, der Generatorleistung und der Anzahl der gekoppelten Wasser-Pegel- Windturbinen-Hybrid-Wechselkammer-Kraftanlagen. Je höher die Wasserpegelanstiegsgeschwindigkeit in den Wechselkammern 39, desto höher die Effizienz. Due to the upper closure by means of couplings 41 with integrated wind turbines 40, additional electrical energy can be generated via the suctioned or compressed air when the water level changes in the changing chambers 39. The efficiency of a pumped storage power plant can be noticeably increased by this water-level wind turbine hybrid alternating chamber power plant. The design of the water-level wind turbine hybrid alternating-chamber power plant depends on the throughput of the pump or turbine water output, the generator output and the number of coupled water-level wind turbine hybrid alternating-chamber power plants. The faster the water level rise rate in the changing chambers 39, the higher the efficiency.
Eine brachliegende potentielle Energieressource finden wir bei Schifffahrtschleusen der Flussschifffahrt oder Schifffahrtskanälen. Nutzbar ist die Wasserkraft beim Fluten der Schleusenkammern 47 und dem Absenken des Wasserpegels in der Schleusenkammer 47 auf das untere Niveau. Hierzu bietet sich eine Wasser-Pegel-Windkraft-Hybrid-Wechselkammer-Kraftanlage im Tandem mit einer Wasserturbine 21 an, was in Figur 11 dargestellt ist. Beide Seiten der Schleusenkammern 47 können für die Integration dieses Kraftwerktyps genutzt werden. Je nach Schleusengröße können Kaskaden von Wechselkammern 39 zur Anwendung kommen. Hierdurch wird die potentielle Energie des Wassers durch die Wasserpegeländerung, sowie den hierdurch entstehenden Luftdruckänderungen, in den Wechselkammern 39 während des Schleusenvorgangs durch diesen Kraftanlagentyp in elektrische Energie umgewandelt. Zusätzlich kann im Tandem beim Absenken des Wasserpegels in der Schleusenkammer 47 das abfließende Wasser durch eine Wasserturbine abgeleitet werden. Bei Flussschifffahrtsschleusen kann hierdurch ohne Schleusenvorgang die Schleuse 48 wie eine normale Wasserturbinenkraftanlage genutzt werden. We find an untapped potential energy resource in river navigation locks or shipping canals. Water power can be used when flooding the sluice chambers 47 and lowering the water level in the sluice chamber 47 to the lower level. This is ideal proposes a water level wind power hybrid variable chamber power plant in tandem with a water turbine 21, which is shown in FIG. Both sides of the lock chambers 47 can be used for the integration of this type of power plant. Depending on the lock size, cascades of exchangeable chambers 39 can be used. As a result, the potential energy of the water is converted into electrical energy by the water level change and the resulting changes in air pressure in the changing chambers 39 during the lock process by this type of power plant. In addition, when the water level in the sluice chamber 47 is lowered, the outflowing water can be diverted in tandem by a water turbine. In the case of river navigation locks, the lock 48 can be used like a normal water turbine power plant without a lock process.
Der Vorteil hierbei ist, dass drei brachliegende Energieressourcen nutzbar sind, die Wasserauftriebskraft, die Windenergie und die Wasserströmung. Dazu gibt es eine Effizienzerhöhung von Schleusenanlagen in der Binnenschifffahrt zu Fluss- oder Schifffahrkanälen. Die Wasserpegel-Wechselschacht-Kraftanlage mit Wasserturbine 21 im Tandem sind in Schleusenanlagen beidseitig integrierbar. Außerdem kann bei Flussschifffahrtschleusen eine zusätzliche Wasserturbinenkraftanlagenerweiterung stattfinden. Zumal die Kraftanlage nachrüstbar, nachhaltig und CO2 frei ist. The advantage here is that three untapped energy resources can be used, the water buoyancy, the wind energy and the water flow. In addition, there is an increase in the efficiency of lock systems in inland navigation to river or shipping canals. The water level alternating shaft power plant with water turbine 21 in tandem can be integrated into lock systems on both sides. In addition, an additional water turbine power plant expansion can take place at river navigation locks. Especially since the power plant can be retrofitted, is sustainable and CO2-free.
Die Schifffahrtschleusen Wasser-Pegel-Wechselpufferkammer-Hybrid- Kraftanlage mit Wasserturbinen im Tandem funktionieren wie folgt. In der Schleusenkammer 47 sind die Schleusentore 48 geschlossen und der Schieber 49 zu den Wasserturbinen ist geschlossen. Der Schieber 50 zu den Wasser- Pegel-Wechselpufferkammern ist geöffnet in Einspeisestellung. Hierdurch steigen die WPK-Auftriebskörper 2 in den Pufferkammern 39 durch die Auftriebskraft an und es wird ihre Bewegungsenergie in elektrische Energie umgesetzt. Gleichzeitig wird die Luft in den Pufferkammern durch die Windturbinen 40 in den Abdeckhauben 41 nach außen gepresst und setzen zusätzlich ebenfalls elektrische Energie um. Der Schieber 50 der Wasser-Pegel- Wechselpufferkammern ist in Abflussstellung zur Schleusenkammer 47 gestellt. Hierdurch sinken die WPK-Auftriebskörper 2 in der Pufferkammer 39 durch den sinkenden Wasserspiegel und erzeugen elektrische Energie. Gleichzeitig strömt die von außen angesaugte Luft in die Pufferkammern 39 durch die Windturbinen 40 in den Abdeckhauben 41 und setzen zusätzlich elektrische Energie um. Der Wasserpegel und das Schiff in der Schleusenkammer 47 steigen an. The shipping locks water-level alternating buffer chamber hybrid power plant with water turbines in tandem work as follows. In the lock chamber 47, the lock gates 48 are closed and the slider 49 to the water turbines is closed. The slider 50 to the water-level changing buffer chambers is open in the feed position. As a result, the FPC buoyancy bodies 2 rise in the buffer chambers 39 due to the buoyancy force and their kinetic energy is converted into electrical energy. At the same time, the air in the buffer chambers is pressed outwards by the wind turbines 40 in the cover hoods 41 and also convert electrical energy. The slider 50 of the water level Exchangeable buffer chambers is placed in the outflow position to the sluice chamber 47. As a result, the WPK buoyancy bodies 2 in the buffer chamber 39 sink due to the falling water level and generate electrical energy. At the same time, the air sucked in from the outside flows into the buffer chambers 39 through the wind turbines 40 in the cover hoods 41 and additionally converts electrical energy. The water level and the ship in the lock chamber 47 rise.
Ist z.B. der Wasserpegel in der Wechselpufferkammer auf dem gleichen Niveau wie der Wasserpegel des oberen Schifffahrtskanals, so wird der Schieber 51 auf Abfluss zur Schleusenkammer 47 umgestellt. Der Wasserpegel in der Wechselpufferkammer 39 sinkt, bis er das Niveau des Wasserpegels in der Schleusenkammer 47 erreicht hat. Jetzt wird derselbe Schieber 51 wieder auf Wassereinspeisung in der Wechselpufferkammer 39 umgestellt. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die Wasserpegel vom oberen Schifffahrtskanal, der Wechselpufferkammern 39 und der Schleusenkammer 47 das gleiche Niveau haben. Nun wird das obere Schleusentor 48 geöffnet. Das Schiff fahrt aus der Schleuse aus. Die Schieber 50 der Wasserpegel-Wechselpufferkammern 39 sind in Abflussstellung zur Schleusenkammer 47 gestellt. Die Schifffahrtsschleuse ist bereit zur Schleusung eines Schiffs aus dem oberen Kanal. For example, if the water level in the exchangeable buffer chamber is at the same level as the water level in the upper shipping canal, the slide valve 51 is switched to drain to the sluice chamber 47. The water level in the exchangeable buffer chamber 39 drops until it has reached the level of the water level in the sluice chamber 47 . Now the same slide 51 is switched back to the water supply in the exchangeable buffer chamber 39 . This process is repeated until the water levels of the upper shipping channel, the exchangeable buffer chambers 39 and the lock chamber 47 have the same level. Now the upper floodgate 48 is opened. The ship exits the lock. The slides 50 of the water level changing buffer chambers 39 are placed in the outflow position for the lock chamber 47 . The shipping lock is ready to lock a ship out of the upper canal.
In Tandem mit den Wasserturbinen 21 sind die Schleusentore 48 bei einem Schiff, welches sich in der Schleuse befindet, zunächst geschlossen und die Schieber 51 der Wechselpufferkammern in Einspeisestellung gestellt. Die Schieber 52 für die Wasserturbineneinspeisung sind geöffnet und leiten das Schleusenwasser durch die Turbinen 21 in den unteren Schifffahrtskanal, dabei setzen diese elektrische Energie um. Beim Absenken des Wasserpegels setzen die vier WPK in den Wechselpufferkammern 39 mit verminderter Pegelände- rungsgeschwindigkeit elektrische Energie um. Die geringere Drehzahl der PWK-Antriebzahnräder 4 wird über die WPK-Getriebe 5 kompensiert. Beim Absenken des Wasserpegels setzen die vier Wechselpufferkammern 39 mit der angesaugte Luft durch die Windturbinen 40 zusätzlich elektrische Energie um. Haben die Wasserpegel der Wechselpufferkammern 39 und der Schleusen- kammer 47 das gleiche Niveau wie der Wasserpegel des unteren Schifffahrkanals, werden die Schieber 52 für die Wasserturbineneinspeisung geschlossen und das untere Schleusentor 48 kann geöffnet werden. Das Schiff kann die Schleusenkammer 47 verlassen. Ist kein Schiff in Wartestellung, so kann das Schleusentor 48 zum unteren Schifffahrtkanal geschlossen bleiben, das obere ist geöffnet. Der Wasserpegel in der Schleusenkammer 47 hat das gleiche Niveau wie der Wasserpegel des oberen Schifffahrtkanal. Wenn die Schieber 52 für die Wasserturbineneinspeisung geöffnet sind, kann das Wasser der Schleuse durch die Windturbinen 40 strömen und hierdurch elektrische Energie umsetzen. In tandem with the water turbines 21, the lock gates 48 on a ship which is in the lock are initially closed and the sliders 51 of the exchangeable buffer chambers are set to the feed position. The sliders 52 for the water turbine feed are open and direct the lock water through the turbines 21 into the lower shipping canal, thereby converting electrical energy. When the water level drops, the four WPK in the exchangeable buffer chambers 39 convert electrical energy at a reduced rate of level change. The lower speed of the PWK drive gears 4 is compensated for by the WPK gear 5 . When the water level drops, the four exchangeable buffer chambers 39 convert additional electrical energy with the air sucked in by the wind turbines 40 . Have the water levels in the removable buffer chambers 39 and the lock chamber 47 is at the same level as the water level of the lower shipping canal, the water turbine feed valves 52 are closed and the lower sluice gate 48 can be opened. The ship can exit lock chamber 47. If no ship is waiting, the lock gate 48 to the lower shipping channel can remain closed, the upper one is open. The water level in the lock chamber 47 has the same level as the water level of the upper shipping channel. When the sliders 52 for the water turbine feed are open, the water from the lock can flow through the wind turbines 40 and thereby convert electrical energy.
Ein weiteres Beispiel betrifft Wasserpegel-Uferschacht-Wind-Hybridkraftanlage an Binnenschifffahrtsstraßen. Jedes fahrende Schiff, welches sich auf einem schiffbaren Fluss oder Schifffahrtskanal bewegt, erzeugt zuerst ein Wellental, gefolgt von der Schiffsbugwelle, wobei das darauffolgende Wellental in die Schiffsheckwelle übergeht. Das Wellental vor dem Aufbau der Bugwelle verhält sich wie ein Minitsunami, d.h. das Wasser zieht sich vom Ufer zurück und die nachfolgende Bugwelle kommt mit erhöhter Amplitude an das Ufer zurück. Je größer die verdrängte Wassermenge eines Schiffskörpers und/oder höher die Geschwindigkeit eines Schiffes ist, desto größer ist die Amplitude der Welle und damit auch die nutzbare potentielle Energie durch die dynamische und variierende Gewässerpegeländerung. Diese Wasserpegel-Uferschacht-Wind- Hybridkraftanlagen können die brachliegende Energieressource an vielbefahrenen schiffbaren Flüssen oder Schifffahrtskanälen, sowie auch Seehäfen wie z.B. Hamburg und Rotterdam, nutzen. Die Wasserpegel-Uferschacht-Wind- Hybridkraftanlage werden in befestigten Uferanlagen 18 oder Kaimauern 18 integriert mit Wasserzu- und -ablauf unter dem minimalen Wasserpegel der schiffbaren Gewässer. Die Effizienz erhöht sich mit der Anzahl der Kraftanlagen. Another example relates to hybrid water gauge bank shaft wind turbines on inland waterways. Every moving ship that moves on a navigable river or shipping canal first generates a wave trough, followed by the ship's bow wave, with the subsequent wave trough merging into the ship's stern wave. The wave trough before the bow wave builds up behaves like a mini tsunami, i.e. the water pulls back from the shore and the subsequent bow wave returns to the shore with increased amplitude. The larger the amount of water displaced by a ship's hull and/or the higher the speed of a ship, the greater the amplitude of the wave and thus also the usable potential energy due to the dynamic and varying water level change. These water level bank shaft wind hybrid power plants can use the fallow energy resources on busy navigable rivers or shipping canals, as well as seaports such as Hamburg and Rotterdam. The water level bank shaft wind hybrid power plant are integrated into fixed bank facilities 18 or quay walls 18 with water inlet and outlet below the minimum water level of the navigable waters. Efficiency increases with the number of power plants.
Meeres-WPK finden ihre Anwendung in der maritimen Nutzung der regenerativen und nachhaltigen Gewinnung von elektrischer Energie aus der unbegrenz- ten potentiellen bzw. kinetischen Energie der Meereswasserpegeländerung durch Meereswellen und Gezeiten. Eine erweiterte Nutzung der Meeresströmung erfolgt durch eine Meereswasserpegel-Strömung-Hybridkraftanlage. Bei Meereswasserpegel-Schacht bzw. Turm kraftan lagen als geschlossenes System, kann zusätzlich die komprimierte und dekomprimierte Luft in Hybridfunktion mit Windturbinen 40 in der Schacht- bzw. Turmkuppel 41 zur Energiegewinnung genutzt werden. Mit den Hybridversionen wird eine Effizienzerhöhung der Meeres-WPK erzielt. Marine FPCs are used in the maritime use of regenerative and sustainable production of electrical energy from the unlimited ten potential or kinetic energy of the sea water level change by sea waves and tides. An extended use of the sea current is carried out by a sea water level current hybrid power plant. When the sea water level shaft or tower is a closed system, the compressed and decompressed air can also be used in a hybrid function with wind turbines 40 in the shaft or tower dome 41 to generate energy. With the hybrid versions, an increase in the efficiency of the marine FPC is achieved.
Das Grundprinzip ist immer das gleiche, wie auch bei onshore WPK. WPK bestehen immer aus mindestens zwei miteinander verbundenen Auftriebskörper 2 mit jeweils Getriebe 5, Generator s, Schlaft- und Kontrollschränken, elektrischer Energietransmission 7 und 8, einer Lenzpumpe 9 sowie einem Luftkompressor 12 für Luftüberdruck im Auftriebskörper 2 und einem Integralgetriebe 13 im Antriebszahnrad 4. Die Generatoren 6 werden von dem Antriebszahnrad 4 mit Integralgetriebe 13 über die gemeinsame Antriebsachse angetrieben, welches bei einer Pegeländerung an einer senkrechten Zahnschiene 3 abrollt. Die Zahnschienen 3 sind senkrecht an einer Rundsäule 19 oder einem Hohlzylinder 19 bei Insel- bzw. Turmversionen oder an einer inneren Wand 19 von kubischen Schachtanlagen an Küsten und Kaianlagen angebracht. The basic principle is always the same as with onshore WPK. WPK always consist of at least two interconnected buoyancy bodies 2, each with a gear 5, generator s, sleeping and control cabinets, electrical energy transmission 7 and 8, a bilge pump 9 and an air compressor 12 for excess air pressure in the buoyancy body 2 and an integral gear 13 in the drive gear 4. The Generators 6 are driven by the drive gear 4 with integral gear 13 via the common drive axle, which rolls off a vertical toothed rail 3 when the level changes. The toothed rails 3 are attached vertically to a round column 19 or a hollow cylinder 19 in the case of island or tower versions or on an inner wall 19 of cubic shaft systems on coasts and quays.
Eine Meeres-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid-Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53 wie in Figur 12 hat den Vorteil zu einer alleinigen Offshore-Windkraftanlage 53, dass diese bei Sturm vom Netz genommen werden müssen, um eine Zerstörung zu verhindern und bei Windflaute die Windrotoren stillstehen. In beiden Situationen fallen sie als elektrischer Energieerzeuger aus. A hybrid version of a sea-water-level-tide-current hybrid power plant with an offshore wind power plant 53 as in FIG and to stop the wind rotors when there is no wind. In both situations, they fail as electrical energy generators.
Eine Meeres-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid-Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53 würde bei Abschaltung der offshore Windkraftanlage 53 unabhängig von den Windbedingungen den Ausfall kompensieren. Die Effizienz einer offshore Windkraftanlage 53 wir durch die Kombination zu einer Meeres-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid- Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53 im Normalbetrieb erhöht. Für Anwendung einer Wasserpegel-Insel-Kraftanlage dient der Fundamentsockel 54 der offshore Windkraftanlage 53 als Zahnradschienensäule 19. A hybrid sea-water level tidal current hybrid power plant with an offshore wind turbine 53 would compensate for the outage if the offshore wind turbine 53 were to shut down regardless of wind conditions. The efficiency of an offshore wind turbine 53 is determined by the Combination to a sea-water level tidal current hybrid power plant in hybrid version with an offshore wind turbine 53 increased in normal operation. The foundation base 54 of the offshore wind turbine 53 serves as a gear rail column 19 for the application of a water-level island power plant.
Vier Zahnradschienen 3 werden senkrecht angebracht, wobei sie um 90 Grad und 45 Grad zur Hauptmeeresströmung versetzt um den Fundamentsockel 54 der offshore Windkraftanlage verteilt werden. Vier Torsionskompensationsschienen 55 werden um 45 Grad versetzt zu den Zahnradschienen 3 am Fundamentsockel 54 der offshore Windkraftanlage 53 angebracht. Die WPK- Kreissegmente 20 werden kreisförmig um die so geschaffene Zahnradschienensäule 3 und 19 an den Zahnradschienen 3 angedockt und zu einer kreisförmigen Wasserpegel-Insel-Kraftanlage verbunden. Four gear rails 3 are mounted vertically, being distributed around the foundation plinth 54 of the offshore wind turbine at 90 degrees and 45 degrees to the main sea current. Four torsion compensation rails 55 are offset by 45 degrees to the gear rails 3 on the foundation base 54 of the offshore wind turbine 53 attached. The WPK circular segments 20 are docked to the gear rails 3 in a circle around the gear rail column 3 and 19 created in this way and connected to form a circular water level island power plant.
Wie in Figur 12 dargestellt, bietet sich eine zusätzlich Anwendung von jeweils zwei Meeresströmungskraftanlagen an. Diese werden in Hauptmeeresströmungsrichtung ausgerichtet und unter der Wasserpegel-Insel-Kraftanlage montiert. Somit können acht bzw. zehn Generatoren 6 elektrische Energie generieren. Die elektrische Energieübertragung soll über eine induktive Receiverschleife 8 zur Windkraftanlage 53 erfolgen. As shown in FIG. 12, there is an additional use of two sea current power plants. These will be oriented in the main ocean current direction and mounted under the water gauge island power plant. Thus eight or ten generators 6 can generate electrical energy. The electrical energy is to be transmitted via an inductive receiver loop 8 to the wind turbine 53 .
Meeres-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid-Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53 bei einer Meeresströmung um eine Rundsäule 19 wird das Wasser als Strömungsisobaren an der Säule verdichtet und erzeugen eine Jetströmung. Hierdurch bietet sich die Anwendung von Mee- res-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid-Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53, da die Anordnung und Ausrichtung der Meeresströmungskraftanlage in Hauptmeeresströmungsrichtung bzw. in Gezeitenströmungsrichtung stattfindet. Die Meereswasserpegel-Gezeiten-Windturbinen-Hybrid-Turmkraftanlage soll in meeresküstennahen Gewässern Anwendung finden. Neben der elektrischen Energieerzeugung kann in der Turmdachkuppel 41 , wie in Figur 13 dargestellt, eine Meerwasserentsalzungsanlage oder eine Wasserstoffgewinnungsanlage Anwendung finden, oder sie kann als meteorologische und/oder meeresbiologischer Forschungsstation dienen. Entsalztes Meerwasser bzw. Wasserstoff kann in einem Tank in der Zahnradschienenhohlzylindersäule 19 zwischengespeichert werden. Sea-water-level tidal current hybrid power plant in a hybrid version with an offshore wind power plant 53 with a sea current around a round column 19, the water is compressed as flow isobars on the column and generate a jet flow. This offers the application of sea water level tidal current hybrid power plant in a hybrid version with an offshore wind power plant 53, since the arrangement and alignment of the sea current power plant takes place in the main sea current direction or in the tidal current direction. The sea water level tidal wind turbine hybrid tower power plant is intended to be used in coastal waters. In addition to generating electrical energy, a seawater desalination plant or a hydrogen production plant can be used in the tower roof dome 41, as shown in FIG. 13, or it can serve as a meteorological and/or marine biological research station. Desalinated seawater or hydrogen can be temporarily stored in a tank in the hollow cylinder column 19 of the toothed wheel rail.
In einem Rundturm 19, der an seinem Boden in einen Senkkasten übergeht, sind vier WPK-Kreissegmente 20 um eine Hohlzylindersäule 19 als Zahnradschienensäule 19 mit einem integralen Hochdruckspeichertank angeordnet. Vier Zahnradschienen 3 sind senkrecht um 90 Grad versetzt an dem inneren Rundzylinderturm 19 verteilt befestigt. Vier weitere Zahnradschienen 3 sind um 45 Grad zu den inneren Zahnradschienen 3 versetzt senkrecht an der Innenseite des Außenrundzylinderturms 19 befestigt. Vier Torsionskompensationsprofilführungsschienen 55 sind um 45 Grad zu den Zahnradschienen 3 am inneren Rundzylinderturm 19 versetzt senkrecht befestigt. Ober- und Unterkante innen- kreis- und außenkreisseitig der Auftriebssegmente 2 sind jeweils mit einer Drehmomentkompensation 33 und Torsionskompensation 55 ausgestattet. In a round tower 19, which merges into a caisson at its bottom, four WPK circular segments 20 are arranged around a hollow cylinder column 19 as a gear rail column 19 with an integral high-pressure storage tank. Four gear rails 3 are vertically offset by 90 degrees and distributed on the inner round cylinder tower 19 . Four more gear rails 3 are offset by 45 degrees to the inner gear rails 3 and attached vertically to the inside of the outer cylinder tower 19 . Four torsion compensation profile guide rails 55 are offset by 45 degrees to the gear rails 3 on the inner round cylinder tower 19 and attached vertically. The upper and lower edges of the lift segments 2 on the inner and outer circle sides are each equipped with torque compensation 33 and torsion compensation 55 .
Für enge Fjordpassagen und Steilküsten 18 mit starkem Tidenhub und starker Meeresströmung, wie es z.B. in Norwegen, Kanada, Alaska und Neuseeland oder auch zwischen den indonesischen Inseln im Sunda-Archipel der Fall ist, bietet eine Wasserpegel-Meeresströmung-Gezeiten-Hybridkraftanlage die ideale Möglichkeit, unbegrenzt schadstofffreie elektrische Energie zu gewinnen. Enge Fjordpassagen bieten die beidseitige Nutzung von Wasserpegel- Meeresströmung-Gezeiten-Hybridkraftanlagen wie eine solche in Figur 14. Die Wasserpegel-Meeresströmung-Gezeiten-Hybridkraftanlage besteht aus einer kubischen WPK, die, erkennbar in Figur 15, in einem im Steilufer 18 eingebetteten, meeresseitig offenen Schacht 56 geführt wird, an der eine Wasserturbine unterhalb der Wasserlinie angebracht wird und in die Meeresströmung hinein- ragt. Durch die Kombination aus WPK und Wasserturbine werden Meeresgezeiten und Meeresströmung zweimal am Tag zur elektrischen Energiegewinnung genutzt, sowie auch die variierenden Meereswellen. For narrow fjord passages and cliffs 18 with a strong tidal range and strong sea currents, as is the case in Norway, Canada, Alaska and New Zealand or between the Indonesian islands in the Sunda archipelago, a water level-sea current-tidal hybrid power plant offers the ideal opportunity to generate unlimited pollution-free electrical energy. Narrow fjord passages offer the mutual use of water level-sea current-tide hybrid power plants such as one in Figure 14. The water level-sea current-tide hybrid power plant consists of a cubic WPK, which, recognizable in Figure 15, is embedded in a cliff 18 on the sea side open shaft 56, to which a water turbine is attached below the waterline and into the sea current protrudes. Through the combination of WPK and water turbine, sea tides and sea currents are used twice a day to generate electrical energy, as well as the varying sea waves.
Viele Länder und Inseln haben an Steilküsten eine starke Meeresbrandung. Mit dem folgenden Wasserpegel-Wind-Küstenbrandung-Gezeiten- Hybridkraftanlagentyp kann diese Meeresbrandung als potentielle Energieressource genutzt werden. Diese Wasserpegel-Schacht-Kraftanlage nutzt durch eine Schachtabdeckung 41 mit integrierter Windturbine 40 die durch die variierende Meereswasserpegeländerung ein- und ausströmende Luft zur zusätzlichen elektrischen Energiegewinnung in Hybridfunktion. Die kinetische Energie der Brandung presst das Meereswasser in den trichterförmigen Meereswasserzulaufkanal 57. Die Auftriebskraft drückt den WPK-Auftriebskörper 2 hoch und das WPK-Antriebszahnrad 4 rollt an der Zahnschiene 3 nach oben ab und treibt dadurch den WPK-Generator 6 an. Der hierdurch entstehende expandierende Luftdruck im abgeschlossenen Schacht 56 treibt die Windturbinen 40 der Kraftanlage an. Zieht sich die Brandungswelle zurück, fließt das Meereswasser aus der Wasserpegel-Schacht-Kraftanlage ab und die Schwerkraft zieht den WPK- Auftriebskörper 2 nach unten. Das WPK-Antriebszahnrad 4 rollt an der Zahnschiene 3 nach unten ab und treibt den WPK-Generator 6 an. Der hierdurch entstehende Luftunterdruck im abgeschlossenen Schacht 56 saugt von außen frische Luft an und treibt damit die Windturbinenkraftanlage an. Das Integralgetriebe 13 im Antriebszahnrad 4 soll auch bei relativ geringem Wellengang und geringer Gezeitenpegeländerung eine Generatordrehzahl erzeugen. Many countries and islands have strong sea surf on cliffs. With the following water level-wind-coastal surf-tidal hybrid power plant type, this sea surf can be used as a potential energy resource. Through a shaft cover 41 with an integrated wind turbine 40, this water level shaft power plant uses the air flowing in and out due to the varying sea water level change to generate additional electrical energy in a hybrid function. The kinetic energy of the surf presses the seawater into the funnel-shaped seawater inlet channel 57. The buoyant force pushes up the FPC buoyancy body 2 and the FPC drive gear wheel 4 rolls up on the toothed rail 3, thereby driving the FPC generator 6. The resulting expanding air pressure in the sealed well 56 drives the wind turbines 40 of the power plant. Pulls back the surf wave, the sea water flows from the water level shaft power plant and gravity pulls the WPK buoyancy body 2 down. The FPC drive gear wheel 4 rolls down the toothed rail 3 and drives the FPC generator 6 . The resulting negative air pressure in the closed shaft 56 draws in fresh air from outside and thus drives the wind turbine power plant. The integral gear 13 in the drive gear wheel 4 is intended to generate a generator speed even with relatively low waves and small changes in the tide level.
Der Vorteil einer solchen Anlage ist die Nachhaltigkeit, die Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern, die ausbleibende CC -Emission, dass sie gut in die Landschaft integrierbar und klimaunabhängig ist, als auch sich langfristig ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis ergibt und den Inselbewohnern und Bewohnern an abgelegenen Küsten einen unabhängigen Zugang zur elektrischen Energieversorgung bietet. BEZUGSZEICHENLISTE The advantage of such a system is the sustainability, the independence from fossil fuels, the lack of CC emissions, that it can be easily integrated into the landscape and is climate-independent, as well as a favorable price-performance ratio in the long term and the islanders and residents on remote coasts offers independent access to the electrical energy supply. REFERENCE LIST
1 Tragelement 1 support element
2 Auftriebskörper 2 buoyancy bodies
3 Zahnradschiene 3 gear rail
4 Zahnrad 4 gear
5 Getriebe 5 gears
6 Generator 6 generators
7 Induktiver Übertrager 7 Inductive transmitter
8 Induktionsschleife 8 induction loop
9 Lenzpumpe 9 bilge pump
10 Außenhülle 10 outer shell
11 Flüssigkeitsdichte Einzelelemente 11 liquid-tight individual elements
12 Luftkompressor 12 air compressor
13 lntegral-/und oder Planetengetriebe 13 integral and/or planetary gears
14 Stützelemente 14 support elements
15 Zahnrollen 15 sprockets
16 Federbein 16 shock absorber
17 Seitenführung 17 side guide
18 Abschüssige Wand/Staumauer 18 sloping wall/dam
19 Turm/Säule 19 tower/column
20 Hohlzylindersegmente 20 hollow cylinder segments
21 Generatorturbine 21 generator turbine
22 Speicherbecken 22 reservoirs
23 Verbindungsleitung 23 connection line
24 Pumpe 24 pump
25 WPK-Auftriebssegment 25 WPK buoyancy segment
26 Generatorantriebsachse/Hauptantriebsachse26 Generator drive axle/main drive axle
27 Innerer Zahnradkranz 27 Inner ring gear
28 Getriebewanne 29 Getriebehohlachse 28 transmission pan 29 transmission hollow axle
30 Getriebezahnrad 30 gear wheel
31 Getriebewiderlager 31 gear abutment
32 Druckluftanschluss 32 compressed air connection
33 Drehmomentkompensator 33 torque compensator
34 Schwingarmhalterungsplatte 34 Swing Arm Mounting Plate
35 Führungszahnrad 35 guide gear
36 Stahlrohrbündel 36 steel tube bundle
37 Schieber Pumpwasserzuleitung 37 Pump water inlet valve
38 Hohlzylinder 38 hollow cylinder
39 Wechselkammer 39 changing chamber
40 Windturbine 40 wind turbine
41 Schachtabdeckung/Abdeckhaube 41 shaft cover/cover hood
42 Wechselpufferschacht 42 removable buffer slot
43 Schieber Turbinenwasserzuleitung 43 Turbine water inlet spool
44 Schieber linke Pufferkammer 44 slider left buffer chamber
45 Schieber rechte Pufferkammer 45 slide right buffer chamber
46 Schieber Speicherwasseransaugleitung 46 slider storage water suction line
47 Schleusenkammer 47 lock chamber
48 Schleusentor 48 lock gate
49 Schieber zur Wasserturbine 49 slider to the water turbine
50 Schieber Wasserpegelwechselpufferkammer50 slider water level change buffer chamber
51 Schieber Abfluss und Einspeisung Pufferkammer51 Valve drain and feed buffer chamber
52 Schieber Wasserturbineneinspeisung 52 slider water turbine feed
53 Windkraftanlage 53 wind turbine
54 Fundamentsockel 54 foundation plinth
55 Torsionskompensation 55 Torsion Compensation
56 Schacht 56 shaft
57 T richterförm iger Meereswasserzulaufkanal 57 Funnel-shaped seawater intake canal

Claims

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P A T E N T A N S P R Ü C H E Wasserkraftanlage zur Umsetzung von potenzieller Energie in elektrische Energie, umfassend einen an einem Tragelement (1 ) unverlierbar höhenverschieblich geführten Auftriebskörper (2), wobei dem Tragelement (1 ) eine Zahnschiene (3) zugeordnet ist, welche mit einem dem Auftriebskörper P A T E N T L A N G A N G H E A hydroelectric power plant for converting potential energy into electrical energy, comprising a buoyant body (2) that is guided on a supporting element (1) so that it cannot be lost and is height-adjustable, with the supporting element (1) being assigned a toothed rail (3) which is connected to a buoyant body
(2) zugeordneten Zahnrad (4) kämmt, wobei dem Zahnrad (4) unter Zwischenschaltung eines Getriebes (5) ein Generator (6) zugeordnet ist, welcher aufgrund einer Drehung des Zahnrades (4) eine elektrische Spannung erzeugt, wobei diese über eine elektrische Abführung an dem Tragelement (1 ) an einem elektrischen Abnehmer anliegt. Wasserkraftanlage gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsübertragung zwischen dem Generator (6) und dem elektrischen Abnehmer über ein Seekabel oder über einen induktiven Übertrager (7) erfolgt, welcher mit einer parallel zu der Zahnschiene (2) associated gear (4) meshes, wherein the gear (4) with the interposition of a gear (5) is assigned a generator (6) which generates an electrical voltage due to a rotation of the gear (4), this via an electrical Discharge on the support element (1) rests against an electrical consumer. Hydroelectric power plant according to claim 1, characterized in that the voltage is transmitted between the generator (6) and the electrical consumer via a submarine cable or via an inductive transmitter (7) which is parallel to the toothed rail with a
(3) in dem Tragelement (1 ) verlaufenden Induktionsschleife (8) zusammenwirkt. Wasserkraftanlage gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper (2) eine Lenzpumpe (9) aufweist sowie rings von einer Außenhülle (10) umschlossen ist, welche aus flüssigkeitsdichten Einzelelementen (11 ) hergestellt ist, wobei vorzugsweise mithilfe der Lenzpumpe (9) Wasser aus dem Inneren des Auftriebskörpers (2) heraus und/oder in wenigstens einzelne der Einzelelemente (11 ) zur Lagetrimmung hinein und aus ihnen heraus gepumpt werden kann, wobei dem Auftriebskörper (2) vorzugsweise wenigstens ein Luftkompressor (12) zugeordnet ist, welcher einen Überdruck in dem Auftriebskörper (2), insbesondere in dem Getriebe (5), erzeugt. (3) in the support element (1) running induction loop (8) interacts. Hydroelectric power plant according to at least one of Claims 1 or 2, characterized in that the buoyant body (2) has a bilge pump (9) and is surrounded on all sides by an outer shell (10) which is made from liquid-tight individual elements (11), with the Bilge pump (9) water can be pumped out of the interior of the buoyant body (2) and/or into at least one of the individual elements (11) for position trimming and out of them, with the buoyant body (2) preferably being assigned at least one air compressor (12). is, which generates an overpressure in the buoyant body (2), in particular in the gear (5).
4. Wasserkraftanlage gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Getriebe (5) um ein Integral- und/oder Planetengetriebe (13) handelt. 4. Water power plant according to at least one of the preceding claims, characterized in that the gear (5) is an integral and/or planetary gear (13).
5. Wasserkraftanlage gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb und/oder unterhalb einer Kontaktstelle des Zahnrads (4) mit der Zahnschiene (3) Stützelemente (14) mit Zahnrollen (15) vorgesehen sind, welche mit beiderseits parallel zu der Zahnschiene (3) verlaufenden Rollenschienen kämmen und jeweils über ein Federbein (16) gegen den Auftriebskörper (2) abgestützt sind. 5. Hydroelectric power plant according to at least one of the preceding claims, characterized in that support elements (14) with toothed rollers (15) are provided above and/or below a contact point of the gear wheel (4) with the toothed rail (3), which are parallel on both sides to the Toothed rail (3) mesh extending roller rails and each have a spring leg (16) against the buoyant body (2) are supported.
6. Wasserkraftanlage gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (4) und/oder die wenigstens eine Zahnrolle (15) eine beidseitige, vorzugsweise konisch auslaufende, Seitenführung (17) aufweisen, welche die Zähne der Zahnschiene (3) zwischen sich einschließen. 6. Hydroelectric power plant according to claim 5, characterized in that the toothed wheel (4) and/or the at least one toothed roller (15) have a lateral guide (17) on both sides, preferably tapered, which enclose the teeth of the toothed rail (3) between them .
7. Wasserkraftanlage gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (1 ) eine senkrechte oder abschüssige Wand, insbesondere eine Staumauer (18), ist. 7. Hydroelectric power plant according to at least one of the preceding claims, characterized in that the support element (1) is a vertical or sloping wall, in particular a dam wall (18).
8. Wasserkraftanlage gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement ein Turm (19) oder eine runde oder mehrkantige Säule (19) ist. 8. Hydroelectric power plant according to at least one of the preceding claims, characterized in that the supporting element is a tower (19) or a round or polygonal column (19).
9. Wasserkraftanlage gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Auftriebskörper (2) zumindest abschnittsweise um den Turm (19) oder die Säule (19) verteilt, vorzugsweise in den Turm (19) oder die Säule (19) gemeinsam vollständig umgebende Hohlzylindersegmente (20) unterteilt, sind. 9. Hydroelectric power plant according to claim 8, characterized in that several buoyancy bodies (2) are distributed at least in sections around the tower (19) or the column (19), preferably in the hollow cylinder segments completely surrounding the tower (19) or the column (19). 20) divided, are.
10. Wasserkraftanlage gemäß der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Auftriebskörper (2) eine Generatorturbine (21 ) zugeordnet ist, welche mit dem elektrischen Abnehmer wirkverbunden ist. 10. Hydroelectric power plant according to the preceding claims, characterized in that the buoyancy body (2) is associated with a generator turbine (21) which is operatively connected to the electrical consumer.
11. Pumpspeicherkraftwerk mit wenigstens zwei Wasserkraftanlagen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, welche in zwei geodätisch höhenversetzten Speicherbecken (22) angeordnet sind, welche über wenigstens eine Verbindungsleitung (23) über eine Pumpe (24) verbunden sind. 11. Pumped storage power plant with at least two hydropower plants according to one of claims 1 to 10, which are arranged in two geodetically height-staggered reservoirs (22) which are connected via at least one connecting line (23) via a pump (24).
12. Pumpspeicherkraftwerk gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei wechselweise betreibbare Wasserkraftanlagen pro Speicherbecken (22) vorgesehen sind. 12. Pumped storage power plant according to claim 11, characterized in that at least two alternately operable water power plants are provided per storage basin (22).
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