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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energiewandlung mit Hilfe strömenden Wassers und des atmosphärischen Druckes.
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Es sind zahlreiche Lösungen allgemein bekannt, Anordnungen zur Energiewandlung zu betreiben, in denen die potentielle mechanische Energie hochgelagerter Wassermengen durch Herabströmen auf Turbinenanlagen in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie steht Verbrauchern in einer Menge zur Verfügung, die von der Menge hochgelagerten Wassers abhängig ist.
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Ein Kreislaufverfahren, bei dem das Wasser nach dem Herabströmen wieder durch elektrische Pumpen auf seine Ausgangshöhe zur neuerlichen Energiewandlung gefördert wird, ist wegen der Wirkungsgradverluste der Energiewandlung und der zusätzlichen Entnahme durch Energieverbraucher nicht möglich, ohne dass dem Kreislaufprozess stetig Hilfsenergie zugeführt wird.
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Um den Energiewandlungsprozess unter Nutzung fallender Wässer energetisch zu stützen, können z. B. Hilfsenergien durch Sonnenenergie- oder Windenergienutzung gewonnen werden. Diese Vorgehensweise besitzt jedoch den Nachteil, dass der Energiewandlungsprozess hierdurch abhängig von wechselnden klimatischen Zuständen, d. h. Sonneneinstrahlung bzw. Vorhandensein von Winden, abhängig ist. Damit wäre ein solcher Energiewandlungsprozess in der Ausbeute unstetig und nicht geeignet, eine zuverlässige Energiequelle zu bilden.
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Es besteht daher die Aufgabe, eine Anordnung zur Energiewandlung zu schaffen, mit der die Energie strömender Flüssigkeiten in einem stetigen und zuverlässigen Kreislauf-Prozess genutzt werden kann und deren Zusatzenergiebedarf aus natürlich und dauerhaft vorhandenen Energiereserven gespeist werden kann.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit den Mitteln des Hauptanspruches, wobei weitere nachgeordnete Ansprüche besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beinhalten.
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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
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1: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäß gestalteten Anordnung zur Energiewandlung unter Ausnutzung von Höhendifferenzen und
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2: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäß gestalteten Anordnung zur Energiewandlung in einer Ebene.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Anordnung zur Energiewandlung gemäß 1 einen hohen Wasserbehälter 1 auf, der durch eine Pumpe 2 so mit Wasser befüllt wird, dass er aus einem oberen Auslass ein Fallrohr 3 mit Wasser speisen kann. In das Fallrohr 3 ist nach einer hier senkrechten Fallhöhe Hf, die das aus dem oberen Auslass des Wasserbehälters 1 nach unten stürzende Wasser zurücklegt, ein Luftmischer 4 eingefügt. Der Auslass des Luftmischers 4 führt zu einem eine Turbine 5 beinhaltenden Druckbehälter 6. Die Welle der Turbine 5 ist auf die Rotorwelle eines elektrischen Generators gekoppelt. Der Generator 7 speist einen elektrischen Energiespeicher 8 sowie die elektrisch betriebene Pumpe 2.
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Der Druckbehälter 9 ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit einem Wärmetauscher 9 verbunden, der seinerseits einen thermoelektrischen Energiewandler 10 speist. Dieser speist ebenso wie Generator 7 den elektrischen Energiespeicher 8.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Energiewandlung weist folgende Funktion auf:
Das Wasser, das aus dem oberen Auslass des Wasserbehälters 1 austritt, strömt erdanziehungsbeschleunigt durch das Fallrohr 3 nach unten und bewegt sich dabei durch den im Fallrohr 3 angeordneten Luftmischer 4.
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Die geometrischen Verhältnisse der Düse im Innern des Luftmischers 4 führen dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeit am Ausgang des Luftmischers 4 gegenüber der Eintrittsgeschwindigkeit deutlich erhöht. Hierdurch entsteht wiederum am Lufteintrittsstutzen des Luftmischers 4 ein Unterdruck, der ein Mehrfaches des Luftvolumens in den Luftmischer 4 saugt, als das durch den atmosphärischen Luftdruck ohnehin in das mit einer einfachen Strömungsgeschwindigkeit strömende Wasser eingeführt würde, wenn die Luftmischergeometrie nicht zu einer Strömungsgeschwindigkeitserhöhung führen würde.
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Die exakten Verhältnisse der Luftmischergeometrie und die dadurch bedingten Strömungsverhältnisse und im Wasser mitgeführten Luftmengen sollen hier mathematisch nicht näher erläutert werden. Der Luftmischer
4 folgt in seiner Funktionalität und Gestaltung einem als Venturianordnung bekannten Gerät, wie es zum Beispiel in der französischen Druckschrift
FR 2484862 A1 beschrieben ist.
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Das aus dem Luftmischer 4 mit stark erhöhter Geschwindigkeit austretende Wasser-Luft-Gemisch wird innerhalb des Druckbehälters 6 auf die Schaufeln der Turbine 5 geleitet und versetzt diese in Drehung. Diese Drehbewegung wird über die Turbinenwelle, die mit der Rotorwelle des Generators 7 gekoppelt ist, auf dessen Rotor übertragen. Die mechanische Energie der Drehbewegung des Rotors von Generator 7 wird in diesem auf bekannte Weise in elektrische Energie umgewandelt und über elektrische Leitungen 11 in einem Energiespeicher 8 überführt. Hierbei steht der Begriff Energiespeicher 8 sowohl für einen tatsächlichen elektrischen Energiespeicher wie zum Beispiel einen wieder aufladbaren Akkumulatorenblock oder einen Kondensatorspeicher als auch für nachgeschaltete elektrische Energieverbraucher. Ebenso ist eine Kombination beider Energieabnehmerarten denkbar. Die für die jeweilige Energieabnahme in einen Speicher oder durch einen Verbraucher notwendigen Maßnahmen wie Gleichrichtung, Umspannung u. a. sollen an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Sie gehören zum bekannten Stand der Technik.
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Beim Eintritt in den Druckbehälter 6 und während des Auftreffens des Wasser-Luft-Gemisches auf die Turbinenschaufeln der Turbine 5 trennt sich dieses Gemisch wieder auf in einen Wasseranteil und einen Luftanteil. Das Wasser sammelt sich im unteren Bereich des Druckbehälters und wird durch den Druck der sich entspannenden Luft durch den wasserseitigen Bodenauslass des Druckbehälters 6 zur Pumpe 2 und folgend in den Wasserbehälter 1 gedrückt.
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Zur Erreichung der vollständigen Füllhöhe des Wasserbehälters reicht selbstverständlich der durch die Luftentspannung auf das Wasser wirkende Luftdruck im Druckbehälter 6 nicht aus – jedoch wird das Fördern des Wassers zum vollständigen kontinuierlichen Füllen des Wasserbehälters 1 durch die Pumpe 2 unterstützt bzw. gewährleistet, die aus der von Generator 7 gelieferten elektrischen Energie gespeist bzw. angetrieben wird.
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Auf die beschriebene Weise wird ein vollständiger Wasserkreislauf über Wasserbehälter 1, Fallrohr 3, Luftmischer 4 und Druckbehälter 6 erreicht, wobei ggf. auftretende Verdunstungs-, Spritzwasser- oder Kondensationsverluste durch Korrekturwasserzuführung zum Fallrohr 3 ausgeglichen werden können.
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In einem Leitungssystem ohne Luftmischer 4 wäre der genannte Kreislauf des Wassers nur durch Zuführung von elektrischer Hilfsenergie aus welchen Quellen auch immer denkbar, da u. a. die Wirkungsgradverluste bei der Wandlung mechanischer Energie in elektrische in der Kombination von Turbine 7 mit Generator 8 ausgeglichen und auch der unter 1 liegende Wirkungsgrad der Pumpe 2 berücksichtigt werden müssten.
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Die erfindungsgemäße Einbeziehung des Luftmischers 4 in das Fallrohr 3 ändert die Verhältnisse der Energiebilanz des Systems entscheidend: Die Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit des von der Erdanziehungskraft beschleunigten fallenden Wassers innerhalb der Luftmischergeometrie in Verbindung mit der vom atmosphärischen Luftdruck angetriebenen Lufteinmischung in den beschleunigten Wasserfluss führen zu dessen Energieinhaltserhöhung, so dass die Wirkungsgradverluste der Energiewandlungssysteme mehr als ausgeglichen werden. Im Gegenteil wird bereits in der beschriebenen Anordnungsweise der benannten Elemente ein Energieüberschuss zur Verfügung stehen, der nach Abzug der zum Betrieb der Pumpe 2 notwendigen Energie in den Energiespeicher 8 überführt werden kann.
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Daher stellt die erfindungsgemäße Anordnung nicht den Versuch der Herstellung eines Perpetuum mobile dar, sondern nutzt zur Energiebereitstellung für Energiespeicherung und/oder Energieverbrauch durch diverse denkbare Verbraucher vorhandene natürliche Energiequellen auf der Basis wirkender Naturkräfte, nämlich der Erdanziehungskraft und des atmosphärischen Luftdruckes. Deren geschickte ingenieurtechnische Ausnutzung durch die Einbringung des Luftmischers 4 in den gravitationsgetriebenen Wasserstrom in Fallrohr 3 ermöglicht es, die vorstehend bereits genannten wirkungsgradbedingten Wandlungsverluste auszugleichen und Energiemengen für Speicherung und Verbrauch aus dem natürlichen Energievorrat des Luftdruckes und der Schwerkraft für die Nutzung durch den Menschen bereitzustellen.
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In einer über die zur beschriebenen Funktion der Grundanordnung hinausgehenden, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wird ein weiterer, zunächst negativ erscheinender Umstand zur weiter intensivierten Energiewandlung ausgenutzt:
Der luftseitige Bereich des Druckbehälters 6 ist gem. 1 mit einem Wärmetauscher 9 verbunden, dessen Ausgangsbereich wiederum mit dem Eingang des thermoelektrischen Energiewandlers 10 gekoppelt ist. Mit dieser Zusatzanordnung innerhalb der Erfindung wird die durch Reibungserwärmung und Druckerhöhung im strömenden Wasser-Luft-Gemisch eintretende Temperaturerhöhung desselben ausgenutzt, in dem diese Temperaturerhöhung innerhalb des Wärmetauschers 9 zur Erwärmung eines Sekundärmediums geführt wird. Das Sekundärmedium wird dann durch die Verbindung des Wärmetauschers 9 mit dem thermoelektrischen Energiewandler 10 in diesem in zusätzliche elektrische Energie gewandelt und ebenfalls dem Energiespeicher 8 zugeführt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 wird auf die Ausnutzung eines eine Fallhöhe HF erzeugenden Höhenunterschiedes zwischen Auslauf des Wasserbehälters 1 und Turbine 5 verzichtet. Die Anordnung gemäß 2 ist in einer höhenmäßig weitgehend einheitlichen horizontalen Arbeitsebene ausgerichtet:
Wasserbehälter 1, Pumpe 2, Luftmischer 4 und Turbine 5 bilden eine auf Erdbodenniveau zusammengestellte kompakte Energiewandlungsanlage. Das aus dem Wasserbehälter 1 mittels der Pumpe 2 durch eine Rohrleitung zum Luftmischer 4 geförderte Wasser trifft nach der im Luftmischer 4 durchgeführten Luftinjektion auf die Turbine 5, versetzt diese in Drehung und sammelt sich am Boden des Turbinengehäuses, Von dort wird es durch die Pumpe 2 erneut angesaugt und wiederum im Kreislauf erneut dem Wasserbehälter 1, der Rohrleitung und dem Luftmischer 4 zugeführt.
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In einer vereinfachten Form ist auch der Verzicht auf den Wasserbehälter 1 möglich, wenn die Rohrleitung mit dem Luftmischer auf eine Weise dimensioniert ist, dass sie notwendige Puffervolumina an Wasser erhält, die zum steten Kreislauf notwendig sind.
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Die Turbine 5 ist wieder mit einem Generator 7 gekoppelt, der aus der Drehbewegung der Turbinenachse und damit deren Rotationsenergie auf bekannte Weise elektrische Energie wandelt und diese an einen Energiespeicher 8 abgibt, aber ebenfalls wieder die Pumpe 2 mit elektrischer Antriebsenergie über Leitung 11 versorgt.
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Im vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich die Turbine nicht in einem Druckbehälter – jedoch ist dies möglich. In diesem Falle des Vorhandenseins eines Druckbehälters 6 können wieder durch die im ersten Ausführungsbeispiel genannten weiteren Elemente Wärmetauscher 9 und thermoelektrischer Energiewandler 10 weitere Energieanteile aus dem durch den Atmosphärendruck im Luftmischer 4 energieerhöhten Wasserkreislauf gewandelt werden.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind beispielhafte Anordnungen in beispielhafter Anwendung beschrieben worden. Die Erfindung schließt jedoch alle weiteren Anordnungen mit unterschiedlichen Prozessapparaten ein, bei denen mittels des erfindungsgemäßen Grundgedankens eine Energiewandlung durch Nutzung fließender Wässer in Verbindung mit Strömungsgeschwindigkeitserhöhung und Atmosphärendruck vorgenommen wird.
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Mit der Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung können sehr große Aufwandseinsparungen zur Errichtung bekannter Energiewandler aus Windenergie oder Sonnenenergie erreicht werden, in dem auf aufwendige Windgeneratortürme oder Offshore-Windgeneratorfelder oder Solarpaneele verzichtet werden kann. Die Errichtung hochgelagerter Wasserreservoire oder die Nutzung vorhandener Wasserreservoire ist einerseits bau- und sicherheitstechnisch deutlich unaufwändiger, andererseits können vorhandene Wasserkraftanlagen mit geringem Aufwand mit zusätzlichen Luftmischereinrichtungen ausgestattet werden und so eine deutlich verbesserte Energieausbeute liefern.
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Ebenso vorteilhaft zeigt sich der Aufbau kreislaufgeführter Wasserturbinenanlagen in der Ebene unter Nutzung des atmosphärischen Luftdruckes als Hilfsenergieausgleich und Energiequelle für den energetischen Zusatzgewinn: Hier werden sogar Energiewandlungen möglich, ohne dass ein die Wässer antreibender Höhenunterschied nötig ist. Allein der stets wirkende atmosphärische Luftdruck führt zur energetisch effizienten Durchsatzbeschleunigung des Wassers durch den Luftmischer und damit zum Energiezuwachs vor der Turbine.
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Dabei kann die Anordnung zur Energiewandlung sowohl als offenes als auch als geschlossenes System ausgeführt sein.
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Der Kern der Erfindung ist in der Lösung zu sehen, den natürlicherweise zur Verfügung stehenden atmosphärischen Luftdruck als Quelle einer natürlichen Energie zu nutzen, die durch die Anwendung des erfindungsgemäß angeordneten Luftmischers 4 die Strömungsenergie des im Kreislauf geführten Wassers so erhöht, das der Anordnung ein Energieüberschuss entnommen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserbehälter
- 2
- Pumpe
- 3
- Fallrohr
- 4
- Luftmischer
- 5
- Turbine
- 6
- Druckbehälter
- 7
- Generator
- 8
- Energiespeicher
- 9
- Wärmetauscher
- 10
- thermoelektrischer Energiewandler
- 11
- Leitung
- Hf
- Fallhöhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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