AT413579B - Wasserkraftwerk - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein wartungsarmes Wasserkraftwerk, welches die Rotationsenergie eines stabilen Gravitationswasserwirbels in elektrische Energie umwandelt und gleichzeitig eine Steigerung der Wassergüte ermöglicht.

Wie aus dem Stammpatent A8/2003 bekannt ist wird mit Hilfe einer Turbine Rotationsenergie aus einem sogenannten Gravitationswasserwirbel entnommen und durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Im Gegensatz zum Patent US 3 372 905 A ist die erfindungsgemäße Strömung des Gravitationswasserwirbel dadurch gekennzeichnet, dass sie keine verlustbringende Kernströmung enthält. Diese Strömungsverhältnisse werden laut Stammpatent A8/2003 dadurch erreicht, dass das Wasser durch die mittig im Boden eines Rotationsbeckens eingelassene Abflussöffnung über einen Freihang, der im Patent US 3 372 905 A nicht realisiert wird, ins Unterwasser fällt. Die ringförmige Strömung im Wirbelzentrum wird von der Turbine in die Richtung der Drehachse der Turbine abgelenkt, wodurch die dabei frei werdende Rotationsenergie an die Turbine abgegeben wird.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung besondere Ausführungsformen des Stammpatents A8/2003 anzuführen, die einerseits die Betriebskosten des Kraftwerks minimieren und andererseits die Wasserqualität im energietechnisch genutzten Fließgewässer steigern.

Bei herkömmlichen Wasserkraftwerken mit Propeller-, Kaplan-, Francis- oder Durchströmturbi-nen ist die Spaltbreite zwischen Leitapparat und Turbine sehr eng bemessen, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Bei einem Wasserkraftwerk mit Peltonturbine wird das Wasser durch eine oder mehrere Düsen auf die Turbine gelenkt. Um weder den Turbinenspalt noch die Düsen mit Treibgut zu verstopfen, muss das Wasser durch Rechenanlagen von Treibgut befreit werden. Speziell bei herkömmlichen Kleinwasserkraftwerken durchströmt das Wasser einen feinmaschiger Kraftwerksrechen, der einerseits im Herbst auf Grund des hohen Laubanteils im Wasser laufend gereinigt werden muss, andererseits in den Wintermonaten gefährdet ist zuzufrieren, wodurch das Wasserkraftwerk vorübergehend nicht betrieben werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Wasserkraftwerk mit einem großen Turbinenspalt zu realisieren und auf einen Feinrechen samt Rechenreinigungsanlage verzichten zu können. Dadurch verringern sich sowohl die Errichtungskosten als auch die Betriebskosten.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Wasserkraftwerken konzentriert der Gravitationswasserwirbels 4 des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks die Rotationsenergie des Wassers in seinem Zentrum auf die dort mitrotierende Turbine 7. Erfindungsgemäß ist dabei der Turbinenspalt 11 extrem groß bzw. im herkömmlichen Sinn nicht mehr gegeben. Vielmehr soll die rotierende Turbine 7 nicht in die langsame wandnahe Randströmung 20 eingreifen um nicht unnötig gebremst zu werden. Auf Grund der großen Distanz 11 zwischen Turbine und Rotationsbecken ist nur ein Grobrechen 16 für größeres Treibgut notwendig. Sowohl kleines bis mittleres Treibgut als auch Fische können das Kraftwerk ungehindert unter der Turbine 7 hindurch auf den eingezeichneten Wegen 15 passieren.

Bei herkömmlichen Wasserkraftwerken wird konstruktionsbedingt durch das Aufstauen des Wassers die Fließgeschwindigkeit reduziert, wodurch es speziell in den Sommermonaten bei geringer Wasserführung zu ungewöhnlich hohen Wassertemperaturen kommt, während sich im Winter ungewöhnlich tiefe Temperaturen einstellen. Auch eine Durchmischung unterschiedlicher Wasserschichten ist nicht ausreichend gegeben. Der Mangel an wirbelartigen Strömungen an der Wasseroberfläche führt zusätzlich zu einem geringen Gasaustausch zwischen Wasser und Luft. Die enormen Duckunterschiede können beim Durchströmen herkömmlicher Turbinen vor allem beim Übergang in das Saugrohr zur sogenannten Kavitation führen. Diese Strömungsbedingungen schädigen nicht nur die Oberfläche der Turbine und deren Gehäuse, sondern stellt für viele Mirkoorganismen im energietechnisch genutzten Wasser eine tödliche Extremsituation dar. 3

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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Wasserkraftwerk vorzustellen, welches eine nachhaltig positive Wirkung auf die Selbstreinigungskräfte des energietechnisch genutzten Gewässers ausübt.

Im Gegensatz dazu ermöglicht das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk auf Grund der Ausbil-5 düng eines Gravitationswasserwirbels 4 die Wassergüte durch Belüftung und Belebung zu steigern, sowie die Wassertemperatur in den Sommermonaten zu senken bzw. in den Wintermonaten zu erhöhen. Der Gravitationswasserwirbel 4 erhöht die Wasseroberfläche im Wasserbecken 1, sodass die Kontaktfläche Wasser zu Luft wesentlich vergrößert wird. Die Rotationsbewegung unterstützt zusätzlich den Belüftungsvorgang des durch das Kraftwerk fließenden io Gewässers. Die durch die Belüftung durchgeführte Sauerstoffanreicherung des Wassers erhöht die Selbstreinigungskräfte des Gewässers, indem zusätzlich Sauerstoff für Mikroorganismen, Pflanzen, Fische usw. zur Verfügung gestellt wird.

Der Gravitationswasserwirbel zeigt außerdem in beeindruckender Weise den Selbstregulie-15 rungsmechanismus natürlicher Gewässer bezüglich Minimierung von Temperaturschwankungen im Jahresverlauf: Im Zentrum 14 des Gravitationswasserwirbels konzentriert sich immer Wasser mit höchster Dichte 14. D.h., dass das Wasser im Rotationsbecken so geordnet wird, dass das Wasser im Wirbelzentrum 14 4 Grad Celsius am nächsten ist, während das Wasser in den Randzonen 13 geringere Dichte aufweist und bei mittlerer Fließgewässertemperatur über 20 4 Grad wärmer als im Wirbelzentrum 14 ist bzw. bei mittlerer Fließgewässertemperatur unter 4 Grad kälter als im Wirbelzentrum 14 ist! Das wirbelnd fließende Wasser konzentriert somit im Winter Wärme in seiner Mitte 14 und führt Kälte an seine Uferzonen 13 ab, während sich im Sommer der Prozess umkehrt und wirbelndes Wasser Kälte in seiner Mitte 14 konzentriert und Wärme an die Uferzonen 13 abführt und so den Lebewesen im Wasser ein längstmögliches 25 Überleben sichert.

Aus der einschlägigen Fachliteratur, zum Beispiel im Buch von Diplomphysiker Dr. Wolfgang Ludwig in „Umweltmedizin von Treven Talkenberge“ im Möve-Verlag 1991, ist weiters bekannt, dass durch Einwirbelung von Wasser eine Wasserbelebung einsetzt, indem die im Wasser 30 enthaltene Schadstoffinformation gelöscht wird. Zur Erklärung: Jeder Körper, jedes Teilchen ist auf Grund seiner Masse, seiner Struktur seiner geometrischen Ausdehnung ein schwingungsfähiges Gebilde mit mehr oder weniger ausgeprägten Eigenfrequenzen, wodurch jedem Stoff ein individuelles Frequenzsspektrum zugeordnet werden kann. Das Wasser hat die Eigenschaft diese Eigenschwingungen von gelösten Stoffen aufzunehmen und weiterzuleiten, indem es 35 Wasserclusterstrukturen bildet deren Eigenfrequenzen sich mit den Eigenschwingungen der gelösten Stoffe in Resonanz befinden. D.h. das Wasser nimmt die Schwingungsmuster eines in ihm gelösten Stoffes an. Unter Schadstoffinformation versteht man also das Schwingungsmuster das ein Schadstoff im Wasser anregt und dort auch resonanzartig weitergeleitet. Die Löschung dieser Schwingungsmuster im Wasser gelingt entweder durch Laser- oder Röntgenbe-40 Strahlung, wobei dabei toxische Verbindungen entstehen, oder durch Ultraschallbehandlung oder durch das Verfahren der Natur, nämlich durch Einwirbelung, wie es in jedem nichtregulier-ten mäanderförmigen Flusslauf zu sehen ist.

Somit kann erstens die Wassergüte im Sinne einer Wasserbelebung durch den Gravitations-45 wasserwirbel 4 und somit zusätzlich der Prozess der Selbstreinigung des energietechnisch genutzten Fließgewässers erhöht werden. Auf Grund der geringeren Oberflächenspannung kann belebtes Wasser von Zellen eines lebenden Organismus rascher resorbiert werden und damit beschleunigt sich auch der Abbauprozess von Schadstoffen im Gewässer. so Zweitens kann durch das im erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk belebte Wasser, das eine geringere Absorptionsfähigkeit von UV-Licht der Sonne aufweist, die Wassertemperatur des energietechnisch genutzten Gewässers im Sommer bei hoch stehender Sonne gesenkt werden. Der UV- und Infrarot-Licht Anteil der Sonne macht ca. 90% der Strahlungsintensität aus. Das heißt, das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk kann der globalen Erwärmung also dem soge-55 nannten Treibhauseffekt entgegen wirken, indem das durch den Gravitations-Wasserwirbel des 4

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Kraftwerks belebte Wasser weniger UV-Licht absorbiert und damit die Wassertemperatur in den Sommermonaten weniger stark ansteigen lässt. Nicht zuletzt kommt eine höhere Wassergüte uns Menschen, der Flora und Fauna, und in direkter Weise dem Fischartenbestand eines Gewässers zu Gute. 5

Mit dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk können im Betrieb zwei Zielsetzungen angestrebt werden, wie sie auch auf der linken (A) und rechten (B) Seite der Fig.1 und Fig.2 dargestellt sind: io (A) Wird weniger elektrische Energie entnommen wird von der Turbine wenig Wasser in die mittige Öffnung 2 des Beckens 1 abgelenkt und so steigt die Verweildauer des Wassers im Gravitations-Wasserwirbel 4 und damit steigt auch die Durchlüftung und die Belebung des Wassers. 15 (B) Wird hingegen viel elektrische Energie entnommen wird von der Turbine auch viel Wasser in die mittige Öffnung 2 des Beckens 1 abgelenkt und so sinkt die Verweildauer des Wassers im Gravitations-Wasserwirbel 4 und damit sinkt auch die Durchlüftung und die Belebung des Wassers. 20 Der Fall (A) kann soweit gesteigert werden, dass auch ein Betrieb ohne Turbine und Generator möglich ist und die Rotationsenergie des Gravitations-Wasserwirbels 4 ausschließlich für die Durchlüftung und Belebung des Wassers genutzt wird. In diesem Fall wird die potentielle Energie lediglich in Rotationsenergie des Wassers umgewandelt und diese direkt für die Sauerstoffanreicherung und Einwirbelung verwendet. In dieser Hinsicht muss der Oberbegriff Wasser-25 kraftwerk in Patentanspruch 6 erweitert werden. In herkömmlicher Technik würde die Gewässerbelüftung folgendermaßen realisiert werden, wie zum Beispiel in der Patentschrift US 6095749A gezeigt wird: Ein konventionelles Wasserkraftwerk erzeugt elektrische Energie für einen Kompressor, der wiederum Luft in das Gewässer des Wasserkraftwerks einbläst. Bei der Erfindung handelt es sich also weiterhin um ein Wasserkraftwerk dessen potentielle Energie 30 auf Grund der Fallhöhe 17 des Wassers zwischen Zulauf 6 und Unterwasser 5 in Rotationsenergie gewandelt wird und direkt für die Erhöhung der Wassergüte im Sinn einer Wasserbelebung genutzt wird.

Fig.1 zeigt den Aufriss einer bevorzugten Form eines rotationssymmetrischen Beckens 1 mit 35 mittiger Öffnung 2 und ebenen Beckenboden 3. Zwischen Oberwasserspiegel 6 und Unterwasserspiegel 5 ergibt sich die Fallhöhe 17. Über den Zufluss 6 strömt das Wasser durch einen Grobrechen 16 in das Becken und der Gravitationswasserwirbel 4 konzentriert die ringförmige Wassermasse 13 vom mittleren Radius 18 unter stetiger Geschwindigkeitszunahme in die ringförmige Wassermasse 14 mit dem reduzierten mittleren Radius 19. Diese stark beschleunig-40 te Wassermasse 14 wird von der Turbine 7 durch die kreisförmige in der Mitte des ebenen Beckenbodens 3 befindliche Öffnung 2 in Richtung Drehachse der Turbinen 7 abgelenkt. Die Turbine 7 soll dabei nicht in die langsame Randströmung 20 des Gravitationswasserwirbels 4 eintauchen, um nicht unnötig gebremst zu werden. Die frei werdende Rotationsenergie an der Turbine 7 wird über die Turbinenwelle 8 auf den elektrischen Generator 9 übertragen. Der 45 Generator 9 inklusive Turbine 7 sind an einer tragenden und auf einer auf dem Becken 1 aufliegenden Konstruktion 12 befestigt. Zwischen Turbine 7 und kreisförmiger Öffnung im Beckenboden 2 ist eine großer Turbinenspalt 11. Für die ungehinderten Ausbildung eines Gravitationswasserwirbels ist ein Freihang 10 in das Untenwasser notwendig. Treibgut und Fische können unterhalb der Turbine 7 ungehindert auf den Wegen 15 vom Oberwasser in das Unterwasser so gelangen.

Fig.2 zeigt den Grundriss einer bevorzugten Form eines rotationssymmetrischen Beckens 1 mit mittiger Öffnung 2 und ebenen Beckenboden 3. In der linken Hälfte (A) sind die Strömungsverhältnisse des Gravitationswasserwirbel 4 ohne Turbine 7 dargestellt. In der rechten Hälfte (B) 55 sind die Strömungsverhältnisse bei belasteter und dadurch die Strömung des Gravitationswas-

Claims (6)

1. 5 AT 413 579 B serwirbel 4 ablenkender Turbine 7 skizziert. Patentansprüche: 5 1. Wasserkraftwerk mit einem im Verhältnis zu den Abmessungen des gewünschten Gravitationswasserwirbels (4) großes Wasserbecken (1), wobei das Wasserbecken 1 einen entsprechenden Zulauf (6) und vorzugsweise einen ebenen und horizontalen Beckenboden (3) aufweist, dass eine in diesem Beckenboden befindliche, runde Ausflussöffnung (2) un- io gefähr mittig angeordnet ist und dass weiters ein Freihang (10) zum Unterwasser (5) vorgesehen ist, damit sich ein stabil rotierender Gravitationswasserwirbel (4) ausbilden kann und dessen Rotationsenergie mit Hilfe einer koaxial im Gravitationswasserwirbel (4) rotierenden, über den ganzen Umfang tangential beaufschlagten und ringförmig axial durchströmten Turbine (7) und einem, an die Turbine (7) gekoppelten Generator (9), in elektri-15 sehe Energie umgewandelt wird, weiters die runde Ausflussöffnung (2 ) im Beckenboden (3) im Durchmesser änderbar ist, um den rotierenden Gravitationswasserwirbel für unterschiedliche Durchflussmengen durch vertikales Verschieben der Turbine auf der Welle (8) erfolgt, da die Turbine (7) dadurch in verschiedene Geschwindigkeitszonen des Gravitationswasserwirbel eintaucht und auch mehrere dieser Wasserkraftstrukturen kaskadiert also 20 hintereinander oder parallel gebaut werden können nach Patent Nr. 412 363, dadurch ge kennzeichnet, dass auf Grund der sehr großen Spaltbreite zwischen Turbine und Wasserbecken eine ungehinderte Durchgängigkeit sowohl von kleinem bis mittlerem Treibgut als auch von Fischen möglich ist und folglich ein grober Kraftwerksrechen ausreicht, der die Reinigungsintervalle deutlich vergrößert. 25
2. 2. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grund der hohen Rotationsgeschwindigkeit des Wassers im Gravitationswasserwirbel und auf Grund eines grobmaschigen Kraftwerkrechens auch ein Betrieb mit verschlammten Wasser möglich ist.
3. 3. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grund der hohen Rotationsgeschwindigkeit des Wassers im Gravitationswasserwirbel und auf Grund eines grobmaschigen Kraftwerkrechens die Vereisungsgefahr im Winter minimiert wird.
4. 4. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben der 35 Gewinnung von elektrischer Energie zusätzlich auch die Wassergüte im energietechnisch genutzten Gewässer verbessert wird, indem der Gravitationswasserwirbel 4 die Wasseroberfläche im Wasserbecken 1 wesentlich vergrößert und indem die Rotationsbewegung im Wasserbecken 1 das Wasser in hohem Maß durchlüftet und dadurch den Selbstreinigungsprozess des Gewässers unterstützt. 40
5. 5. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, 2, 3, und 4, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits auf Grund der Verwirbelung des Wassers im Gravitationswasserwirbel die Temperaturschwankungen des energietechnisch genutzten Gewässers im Jahresverlauf minimiert werden können und andererseits auf Grund der wasserbelebenden Wirkung des Kraft- 45 werks die Wassertemperatur des energietechnisch genutzten Gewässers wegen der daraus resultierenden geringeren UV-Absorptionsfähigkeit von Sonnenlicht vor allem in den Sommermonaten verringert wird.
6. 6. Wasserkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass durch Entfernen der Turbine 7 und des so elektrischen Generators 9 die Rotationsenergie im Gravitationswasserwirbel vollständig für die Erhöhung der Wassergüte genutzt wird. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 55