WO2024016039A1

WO2024016039A1 - Vorrichtung zur gewinnung elektrischer energie aus strömungsenergie eines strömenden gewässers

Info

Publication number: WO2024016039A1
Application number: PCT/AT2023/060237
Authority: WO
Inventors: Peter Breitenbach
Original assignee: Peter Breitenbach
Priority date: 2022-07-17
Filing date: 2023-07-13
Publication date: 2024-01-25

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus Strömungsenergie eines strömenden Gewässers, mit einer schwimmenden Rotoreinheit in Form einer ein- oder mehrgängigen archimedischen Schraube (1) beschrieben, die beiderends bezüglich einer Positioniervorrichtung (2) mittels Lager (10) gelagert und mit der Positioniervorrichtung im strömenden Gewässer positionierbar ist und mit einem von der Rotoreinheit angetriebenen elektrischen Generator (5, 16). Um die Verletzungsgefahr für Lebewesen zu verringern, wird vorgeschlagen, dass die um einen Kern (13) gewundene Wendel (14) der archimedischen Schraube (1) als Schwimmkörper ausgebildet ist.

Description

Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus Strömungsenergie eines strömenden Gewässers

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus Strömungsenergie eines strömenden Gewässers, mit einer schwimmenden Rotoreinheit in Form einer ein- oder mehrgängigen archimedischen Schraube, die beiderends bezüglich einer Positioniervorrichtung mittels Lager gelagert und mit der Positioniervorrichtung im strömenden Gewässer positionierbar ist und mit einem von der Rotoreinheit angetriebenen elektrischen Generator

Stand der Technik

Wasserförderschnecken nach Archimedes werden seit Jahrhunderten eingesetzt. Aktiv drehangetrieben dienen sie als Pumpen, und in Fließgewässern angeordnet, wie hier, als Antriebe für Stromgeneratoren. Heute werden sie auch für Kleinkraftwerke, die vorwiegend im Uferbereich von Flüssen Anwendung finden, verwendet. Zum Teil sind diese Kleinanlagen fest im Flussboden verankert und weisen als Strömungsturbine wirkende, zylinderförmige oder sich verjüngende, Schrauben auf. Schwimmende Konstruktionen tragen zur Energiegewinnung verschiedenste, ins Wasser ragende Schaufelräder, wie herkömmliche Wasserräder oder eben archimedische Schrauben. Der Nachteil all dieser Ausführungen besteht darin, dass sie mit großem Aufwand am Flussboden verankert werden müssen um gegen Bodenerosion gesichert zu sein.

Die DE 102010023272 A1 offenbart eine schwimmende Strömungsturbine mit einer archimedischen Schraube zur vorwiegenden Verwendung in kleineren Flüssen, wobei die archimedische Schraube vorzugsweise schräg zur Fließrichtung des Wassers halbseitig unter der Wasseroberfläche zwischen zwei seitlichen Lagern selbstschwimmend positioniert ist, wobei die archimedische Schraube mit einer Positioniereinrichtung, nämlich mit einem Gestänge, und mittels eines Gelenkes mit einem am befestigten Ufer befindlichen Generator begrenzt beweglich verbunden ist. Aus der Fließenergie des an der archimedischen Schraube vorbeiströmenden Gewässers, welches die archimedische Schraube in Drehung versetzt, kann somit elektrische Energie gewonnen werden. Diese Variante kommt mit einer einfachen Positioniervorrichtung aus, da die archimedische Schraube nicht auf einem Schwimmkörper gelagert werden muss. Allerdings stellt die Schraubenwendei, wie bei allen bekannten Vorrichtungen, insbesondere bei mittleren bis größeren Strömungsgeschwindigkeiten eine nicht unerhebliche Verletzungsgefahr für Lebewesen dar, die zudem gegebenenfalls unter Wasser gezogen werden können.

Aus der WO 2012019307 A1 ist eine schwimmende Strömungsturbine zur vorwiegenden Verwendung in kleineren Flüssen bekannt, wobei eine archimedische Schraube vorzugsweise schräg zur Fließrichtung des Wassers halbseitig oder gänzlich unter der Wasseroberfläche durch beiderends der archimedischen Schraube vorgesehene Lager selbstschwimmend auf einem Schwimmkörper gelagert ist. Die archimedische Schraube ist mit einem am befestigten Ufer befindlichen Generator verbunden. Die ganze Vorrichtung kann und durch mindestens einen schwimmenden, Auftrieb erzeugenden, als Schwimmkörper wirkenden, Flügel angehoben werden. Eine weitere Variante mit einer schwimmenden Konstruktion zum Tragen der archimedischen Schaube auf dem Wasser offenbart die WO 2006059094 A1 , wobei eine archimedische Schraube in der Fließrichtung des Wassers gänzlich unter der Wasseroberfläche zwischen zwei Lagern drehbar gelagert und mittels Seilen und Schwimmkörper selbstschwimmend im Gewässer positionierbar ist. Die die Seile sind an Erdankern befestigbar und die ganze Turbine wird von Schwimmkörpern getragen. Eine ähnliche Vorrichtung mit Schwimmkörpern, welche die archimedische Schraube tragen, offenbart die WO 2018077414 A1 . Die Arbeitslage im Wasser ist durch Ablassen von vorzugsweise flüssigen Ballaststoffen einstellbar.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine gegenüber dem Stand der Technik verringerte Verletzungsgefahr für Lebewesen darstellt und mit der gegebenenfalls ein unter Wasser ziehen vom Lebewesen vermieden werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die um einen Kem gewundene Wendel der archimedischen Schraube als Schwimmkörper ausgebildet ist. In einem einfachsten Fall der Erfindung besteht die archimedische Schraube nur aus einer Windung bzw. aus zwei oder mehreren Windungen, die beiderends über je eine Art Radkranz zur archimedischen Schraube zusammengefasst werden. Die Windungen bestimmen den Auftrieb und sorgen dafür, dass die archimedische Schraube ohne zusätzliche Auftriebsmittel, wie Flosse od. dgl., selbsttätig auf dem Gewässer schwimmen kann. Die in Achsrichtung beiderends der archimedischen Schraube vorgesehenen Lager dienen als Angriffspunkte für die Positioniervorrichtung, welche die archimedische Schraube gegen ein abströmen im Gewässer sichert und derart schwenkbar am Ufer befestigt, dass Pegeländerungen des Gewässers gefolgt werden kann. Die Positioniereinrichtungen sind beispielsweise Schwenkgestänge, welche einerends am Ufer oder im Gewässer verankert sind und die andernends am zugeordneten Lager angreifen, insbesondere an einem dem Lager zugeordneten Lagergehäuse angreifen. Die archimedische Schraube ist vorzugsweise mit ihrer Achse schräg zur Fließrichtung des Gewässers im Gewässer selbstschwimmend positioniert und bildet eine vorzugsweise mobile Wasserturbine, welche an geeigneter Stelle an einem Fließgewässer zum Einsatz gebracht werden kann.

Von Vorteil ist es, wenn die Wendel einen derart hohen Auftrieb erzeugt, dass der Kem oberhalb der auf der Wendel liegende Wasserlinie der archimedischen Schraube liegt. Die Wasserlinie bezeichnet die Marke, bis zu der die archimedische Schraube konstruktionsbedingt in das Wasser eintaucht. Bei sich drehender Schraube verläuft die Wasserlinie entlang einer Kreisbahn um die Drehachse der Schraube, wobei die Wasserlinie zwischen Kernradius und Außenradius der Schraube bzw. Wendel zu liegen kommt. In jedem Fall ist dadurch sichergestellt, dass ein Lebewesen, welches gegen die archimedische Schraube getrieben wird zwischen Wasserlinie und Kem bzw. bei fehlendem Kem zwischen Wasserlinie und freiem Kem durch die archimedische Schraube durchsehen und vorzugsweise ungehindert frei durchschwimmen kann. Die Arbeit für den Antrieb des Generators wird von der unter Wasser in der Strömung schwimmenden Wendel aufgebracht. Der Abstand zwischen Wasserlinie und Kernradius liegt vorzugsweise zwischen 10-30cm, vorzugsweise bei 20cm.

Ist ein Kem vorgesehen, so ist dieser vorzugsweise von einem Hohlkörper, insbesondere einem Rohr gebildet, welches beiderends die Lager aufnimmt, an denen die Positioniereinrichtung angreift und um die die archimedische Schraube drehbar gelagert ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zur Aussteifung der archimedischen Schraube im Rohr eine Welle oder eine Achse angeordnet, die in Achsrichtung gegen die Stirnflächen des Rohres mittels Stirnplatten, Axiallagern od. dgl. verspannt ist, um die Biegesteifigkeit des Rohres zu erhöhen. Dabei wirkt in der Welle oder eine Achse eine Zugspannung welche auf das Rohr eine in Achsrichtung wirkende Druckspannung ausübt.

Um einen Generator in vorteilhafter Weise an die archimedische Schraube anschließen zu können, wird vorgeschlagen, dass die archimedische Schraube mit einer teleskopartigen Welle und mittels zwei Kardangelenken mit dem, vorzugsweise an einem befestigten Ufer des Gewässers befindlichen, Generator begrenzt beweglich antriebsverbunden ist. Begrenzt beweglich bedeutet insbesondere, dass die archimedische Schraube Pegeländerungen des Gewässers ausgleichen kann bzw. dass der Anstellwinkel der archimedischen Schraube zur Strömungsrichtung einstellbar ist. Und zwar im Extremfall zwischen 0 und 90°, vorzugsweise 45°, zwischen der Strömungsrichtung und der Drehachse der archimedischen Schraube.

Zur zusätzlichen Absicherung der Vorrichtung im Gewässer kann am flussseitigen Lager der vorzugsweise schräg zur Fließrichtung des strömenden Gewässers schwimmenden archimedische Schraube ein zusätzliches Seil angebracht sein, das am, vorzugsweise näherliegenden, Ufer verankert ist.

Zur Einstellung des Sicherheitsabstandes des Kernes von der Wasseroberfläche kann die Wassereindringtiefe der archimedischen Schraube durch Hinzufügen oder Ablassen von vorzugsweise flüssigen Ballaststoffen bestimmbar sein, wozu der Hohlkörper des Kernes und/oder die Wendel eine oder mehrere Ballaststofffüllöffnungen aufweisen. Es empfiehlt sich als Ballast Wasser zu verwenden.

Zur Wirkungsgradsteigerung kann die Wendel anströmseitig eine in radialer Richtung schaufelförmig gebogene Oberfläche aufweist. Die Wanne der Schaufel ist also unter der Wasserlinie gegen die Strömung gerichtet.

Es empfiehlt sich für eine schlanke Bauweise mit ausreichend Auftrieb und geringer Verletzungsgefahr, wenn die Wendel einen parabelförmigen Querschnitt aufweist. Um die Verletzungsgefahr im Einzugsbereich und gegebenenfalls auch im Abzugsbereich der archimedischen Schraube so gering wie möglich zu halten, ist es von Vorteil, wenn die Wendelhöhe beiderends zu den Lagern weisend, vorzugsweise bogenförmig, abnimmt. Es kann also ein bogenförmiger oder ein stetiger Übergang vom maximalen Schraubendurchmesser bis zum Kerndurchmesser über einen angemessenen Abschnitt in Richtung der Drehachse, wie Beispielsweise über 0,5-1 m, gegeben sein. Neben der Profilhöhe der Wendel kann sich auch die Profilbreite im Einzugsbereich und auch im Abzugsbereich verjüngen, um Bremseffekte beim Eintauchen und beim Auftauchen der Schraubenköpfe zu verringern.

Für kompakte Konstruktionsverhältnisse kann der Generator im Hohlkörper angeordnet und, vorzugsweise über ein Getriebe, mit der Rotoreinheit Antriebsverbunden sein.

Kurze Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Draufsicht,

Fig. 2 die vergrößerte archimedische Schraube aus Fig. 1 in schematischer Ansicht,

Fig. 3 einen Querschnitt einer archimedischen Schraube mit der als Schwimmkörper ausgebildet Wendel,

Fig. 4 einen alternativen Querschnitt der Wendel und

Fig. 5 eine Konstruktionsvariante eines Abschnittes einer teilgeschnittenen archimedischen Schraube.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus Strömungsenergie eines in Fließrichtung s strömenden Gewässers, mit einer schwimmenden Rotoreinheit in Form einer ein- oder mehrgängigen archimedischen Schraube 1 , die beiderends bezüglich einer Positioniervorrichtung 2 mittels Lager 10 gelagert und mit der Positioniervorrichtung 2, einem Schwenkgestänge, im strömenden Gewässer positionierbar ist und mit einem von der Rotoreinheit angetriebenen elektrischen Generator s, 16.

Erfindungsgemäß ist die um einen Kem 13 gewundene Wendel 14 der archimedischen Schraube 1 als Schwimmkörper ausgebildet. Für den nötigen Auftrieb der archimedischen Schraube 1 sorgt somit die Wendel 14 selbst, was bedeutet, dass im Betrieb nur ein Teil der Wendel 14 in das Gewässer eintaucht.

Die Wendel 14 erzeugt dabei insbesondere einen derart hohen Auftrieb, dass der Kem 13 oberhalb der auf der Wendel 14 liegende Wasserlinie 9 der archimedischen Schraube 1 liegt. In Fig. 3 und 4 ist angedeutet, dass die Wendel einen derart hohen Auftrieb erzeugt, dass der Kem 3 mit einem Abstand h oberhalb der Wasserlinie 9 zu liegen kommt. Die Eindringtiefe der Wendel 14 bis zur Wasserlinie 9 plus den Abstand h ergibt also die Wendelhöhe. Die Wendelhöhe plus den Kernradius ergibt den Schraubenradius. Es hat sich gezeigt, dass ein Abstand h von 10 - 30cm, insbesondere von 20cm gute Ergebnisse liefert. Die Eindringtiefe der Wendel 14 kann beispielsweise 80 cm betragen. Eine erfindungsgemäße Schraube kann zudem 1 bis 4 oder mehr Windungen mit einer Steigung von beispielsweise 130cm (100-200cm) aufweisen.

Der Kem 13 kann von einem Hohlkörper, insbesondere einem Rohr gebildet sein, das der archimedischen Schraube 1 eine entsprechende Stabilität verleiht. In einer einfachen Ausgestaltungsvariante könnte der Kem 13 auch entfallen und die archimedischen Schraube 1 Kernlos ausgebildet sein, also nur die Wendel und eine Kupplung zur Anbindung eines Generators 5, 16 aufweisen.

Die archimedische Schraube 1 kann mit einer teleskopartigen Welle 4 und mittels zwei Kardangelenken 3 mit dem, vorzugsweise an einem befestigten Ufer 6 des Gewässers angeordneten, Generator 5 begrenzt beweglich antriebsverbunden sein. In Fig. 5 ist angedeutet, dass der Generator 16 zusammen mit einer Kupplung und/oder einem Getriebe 17 im Kern angeordnet und über eine Anschlusswelle mit der archimedischen Schraube 1 antriebsverbunden ist.

Am flussseitigen Lager 10 (rechts oben in Fig. 1 ) der vorzugsweise schräg zur Fließrichtung des strömenden Gewässers schwimmenden archimedische Schraube 1 kann ein zusätzliches Seil 8 angebracht sein, das am, vorzugsweise gegenüberliegenden, Ufer 7 verankert ist.

Die Wassereindringtiefe der archimedische Schraube 1 kann durch Hinzufügen oder Ablassen von vorzugsweise flüssigen Ballaststoffen bestimmbar sein, wozu der Hohlkörper des Kernes und/oder die Wendel eine oder mehrere Ballaststofffüllöffnungen 12 aufweisen kann.

Fig. 4 ist eine Variante zu entnehmen, bei der die Wendel anströmseitig eine in radialer Richtung schaufelförmig gebogene Oberfläche aufweist, um den Staudruck im Gewässer und damit die Energieausbeute zu erhöhen.

Gemäß Fig. 3 kann die Wendel einen parabelförmigen Querschnitt aufweisen. Dieser Querschnitt erlaubt einen ausreichenden Auftrieb der Wendel ohne scharfkantige Ränder im Bereich des Außendurchmessers der Schraube in Kauf nehmen zu müssen.

Nimmt die Wendelhöhe beiderends zu den Lagern weisend, vorzugsweise bogenförmig, ab, so ist sichergestellt, dass Zu und Ablauf der Schraube derart abgerundet bzw. entschärft ausgebildet sind, dass diese Bereiche für Lebewesen keine übermäßige Verletzungsgefahr darstellen.

Claims

Patentansprüche

1 . Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus Strömungsenergie eines strömenden Gewässers, mit einer schwimmenden Rotoreinheit in Form einer ein- oder mehrgängigen archimedischen Schraube (1 ), die beiderends bezüglich einer Positioniervorrichtung (2) mittels Lager (10) gelagert und mit der Positioniervorrichtung im strömenden Gewässer positionierbar ist und mit einem von der Rotoreinheit angetriebenen elektrischen Generator (5, 16), dadurch gekennzeichnet, dass die um einen Kem (13) gewundene Wendel (14) der archimedischen Schraube (1 ) als Schwimmkörper ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel (14) einen derart hohen Auftrieb erzeugt, dass der Kem (13) oberhalb der auf der Wendel liegende Wasserlinie der archimedischen Schraube (1 ) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kem (13) von einem Hohlkörper, insbesondere einem Rohr gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die archimedische Schraube (1 ) mit einer teleskopartigen Welle (4) und mittels zwei Kardangelenken (3) mit dem, vorzugsweise an einem befestigten Ufer (6) des Gewässers befindlichen, Generator (5) begrenzt beweglich antriebsverbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am flussseitigen Lager (10) der vorzugsweise schräg zur Fließrichtung des strömenden Gewässers schwimmenden archimedische Schraube (1) ein zusätzliches Seil (8) angebracht ist, das am, vorzugsweise näherliegenden, Ufer (7) verankert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereindringtiefe der archimedischen Schraube (1 ) durch Hinzufügen oder Ablassen von vorzugsweise flüssigen Ballaststoffen bestimmbar ist, wozu der Hohlkörper und/oder die Wendel eine oder mehrere Ballaststofffüllöffnungen (12) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel (14) anströmseitig eine in radialer Richtung schaufelförmig gebogene Oberfläche aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel (14) einen parabelförmigen Querschnitt aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelhöhe beiderends zu den Lagern weisend, vorzugsweise bogenförmig, abnimmt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (16) im Hohlkörper angeordnet und, vorzugsweise über ein Getriebe (17), mit der Rotoreinheit antriebsverbunden ist.