Erfindungen

Anbau von Wasserkraftanlagen an Windkraftanlagen 
von:
Hans Petry
Prof. Dr..lng
Neuhaus 56
D-40883 Ratingen
Tel. 02102 68656
 
Beschreibung
Die wirtschaftliche Erzeugung erneuerbarer Energiearten ist eine große Zukunftsaufgabe der Menschheit. Hierbei sind die Windenergie und Wasserenergie von großer Bedeutung.
Offshore-Windkraftanlagen sind in Erprobung und versprechen eine große Zukunft, da auf dem Meer mehr und gleichmäßigerer Wind als im Binnenland vorherrscht und auf dem Meer nicht mit Einsprüchen zum Landschaftsschutz zu rechnen ist.
Wasserkraftanlagen im Binnenland sind meist wirtschaftlich, aber schon weitgehend ausgebaut. In Erprobung sind neuartige Wasserkraftanlagen im Meer zur Nutzung der Meeresströmungen, der Wellen und der Gezeiten (Ebbe und Flut).
Technisch schwierig und sehr aufwändig ist die dauerhafte Fundamentierung von
Windkraftanlagen im Meer und ebenso der genannten Meeresenergieanlagen, außerdem die Übertragung der erzeugten elektrischen Energie durch das Meer zum Festland.
Das Fundament für eine Offshore-Windkraftanlage ist wegen der großen Bauhöhe und der auftretenden Stürme meist wesentlich aufwändiger als für die genannten Meeresenergieanlagen.
Der Erfindungsgedanke ist der Anbau der genannten Wasserkraftanlagen an Windkraftanlagen. Dadurch wird das Fundament nur einmal benötigt, und die elektrische Energieübertragung durch ein Kabel und zugehörige Schaltanlagen kann gemeinsam genutzt werden.
An einem gemeinsamen Fundament sind hierbei oben der Mast mit Windturbine und
Gondel mit elektrischen Einrichtungen angebracht, und seitlich am Fundament sind unter der Wasseroberfläche an Traversen eine oder mehrere Wasserturbinen mit Generatoren befestigt oder andere Einrichtungen, um Wasserenergie in mechanische und dann in  elektrische Energie umzuwandeln.
 
Für Montage- und -Wartungsarbeiten an den erfindungsgemäßen Anlagen können die Wasserkraftanlagen durch Vorrichtungen an dem Fundament aus dem Wasser hochgezogen werden.
Die von den erfindungsgemäßen Wind- und Wasserkraft-Anlagen erzeugte elektrische
Energie wird dann über gemeinsame Schaltanlagen und Kabel zum vorhandenen Netz auf dem Festland übertragen.
Bekannt sind auf diesem Gebiet nur kleine schwimmende Energieanlagen, die
verschiedene Arten der Energiegewinnung aufweisen, die jedoch wegen der ständigen
Schwankungen und Erschütterungen der Schwimmkörper besonders bei Stürmen sich mechanisch nicht bewährt haben und für die Energieübertragung zum Festland in das Netz praktisch nicht infrage kommen. Auch verschiedene Energieerzeugungsarten für den
Eigenbedarf auf ÖI- und Gasförderanlagen und anderen Gebäuden im Wasser sind
bekannt.
Das Energieangebot an Windkraft und Wasserkraft auf dem Meer ist durch das Wetter und die Gezeiten stark schwankend, jedoch meist nicht im gleichen Takt. Deshalb führt die erfindungsgemäße gleichzeitige Nutzung beider Energiearten zu einer Verringerung der zeitlichen Schwankungen, was für die Auslastung der Übertragungskabel und für die Energieverbraucher wirtschaftlich ist, da dann im Netz weniger teure Ausgleichsenergie aus Energiespeichern und einzuschaltenden konventionellen Kraftwerken erforderlich ist.
Außer der Anwendung auf dem Meer kann die Erfindung auch in Flüssen genutzt werden.
 
Schutzansprüche
1.    Elektrische Energieerzeugungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Wasserkraftanlage an einer Windkraftanlage mit einem gemeinsamen Fundament
angebaut ist.
2.    Elektrische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
zeichnet, dass eine Wasserkraftanlage zur Nutzung von Meeresströmungen
angebaut ist.
3.    Elektrische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
zeichnet, dass eine Wasserkraftanlage zur Nutzung der Gezeiten angebaut ist.
4.    Elektrische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
zeichnet, dass eine Wasserkraftanlage zur Nutzung von Meereswellen angebaut
ist.
5.    Elektrische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
zeichnet, dass die Wasserkraftanlage aus dem Wasser hochgezogen werden
kann.
6.    Elektrische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
zeichnet, dass die erzeugte elektrische Energie durch eine gemeinsame Kabel-
anlage zum Festland übertragen wird.
7.    Elektrische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
zeichnet, dass die Anlage offshore im Meer angeordnet ist.
8.    Elektrische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
zeichnet, dass die Anlage in einem Fluss angeordnet ist.


Kleine Wasserkraftwerke mit Linear-Generatoren und Kleinturbinen
von:
Hans Petry
Prof. Dr..lng
Neuhaus 56
D-40883 Ratingen
Tel. 02102 68656

Beschreibung
Wasserkraftwerke beruhen meist darauf, dass die Energie des Wassers zur Erzeugung elektrischer Energie dadurch genutzt wird, dass Wasser von oben nach unten oder seitwärts fließt und dabei ein elektrischer Generator angetrieben wird, der sich in einer Richtung dreht. Bei Wasserbewegungen, die durch Wind erzeugt und bei Ebbe und Flut des Meeres durch den Mond hervorgerufen werden, kann die Energie des Wassers nicht nur beim Sinken des Wasserspiegels, sondern auch beim Ansteigen des Wasserspiegels genutzt werden, indem ein kleiner Schwimmkörper auf dem Wasserspiegel sich nach oben und nach unten bewegt.
Erfindungsgemäß wird dabei ein Linear-Generator, dessen feststehender Teil an einem Pfeiler befestigt ist, der im festen Untergrund verankert wurde oder an einer Mauer oder einem Bootsanleger befestigt ist. Der bewegliche Teil des Linear-Generators ist am Schwimmkörper befestigt. Linear-Generatoren für große Wasserkraftwerke oder für Aufzüge sind schon bekannt. Wellen im Meer, in Seen und Flüssen treten in sehr unterschiedlicher Höhe und Länge und zeitlicher Abfolge auf. Größe, Materia! und Form der Schwimmkörper können den zu erfassenden kleinen oder großen Wellen optimal angepasst werden. Die bei Wellen ebenfalls auftretenden waagerechten Wasserbewegungen in unterschiedlicher Stärke und Richtung sowie entstehende Wasserwirbel können erfindungsgemäß dazu genutzt werden, zusätzliche elektrische Energie durch kleine Wasserturbinen, die im Wasser unten am Schwimmkörper befestigt sind, zu erzeugen.

Die Schwimmkörper können beispielsweise aus leichten, luftgefüllten geschlossenen
Kunststoffbehältern bestehen, die wegen ihres geringen Gewichtes auch auf schnelle kleine Wasserbewegungen nach oben und unten reagieren. Außerdem reagieren kleine Wasserturbinen, die unter den Schwimmkörpern befestigt werden, auf schnell sich ändernde waagerechte Wellenbewegungen, während große Wasserturbinen wegen ihres Gewichtes auf schnelle Richtungsänderungen nicht reagieren würden. Dieser Effekt ist vergleichbar mit einer Nussschale auf der Wasseroberfläche, die sich auch bei geringem Wind schnell nach oben und unten sowie seitlich bewegt, während ein großes Schiff, vor Anker und ohne Antrieb, auch bei starkem Wind sich nur wenig und langsam im Wasser bewegt. Mit der Erfindung können wegen der kleinen Massen auch Wellen mit einer Wellenperiode von wenigen Sekunden und einer Wellenhöhe von weniger als einem Meter energetisch genutzt werden. Dies gilt sowohl für die vertikalen als auch für die horizontalen Wasserbewegungen.

Dies ist der wesentliche Teil des Erfindungsgedankens.

Um möglichst auch die vielen kurzzeitigen Wasserbewegungen energetisch zu nutzen, sollte die Masse dieser kleinen Wasserkraftwerke sehr klein sein, beispielsweise durch die Verwendung von Aluminium und glasfaserverstärkten Kunststoffen. Allerdings sind zu kleine Kraftwerke dieser Art im Vergleich zum Herstellungsaufwand unwirtschaftlich. Die zu erwartenden Umwelteinflüsse müssen ausgehalten werden. Nach dem Erreichen eines Wellentals, das im Linear-Generator mit einer erzeugten Spannung von etwa 0 Volt zusammenfällt, steigt die Spannung nach dem Wiederanstieg der Welle wieder an. Dadurch entsteht eine wellenförmige elektrische Energieerzeugung. Das Gleiche gilt für die Kleinturbine bei Richtungsänderungen der horizontalen Wasserbewegungen.

Wenn viele kleine Wasserkraftwerke dieser Art im Abstand von beispielsweise 100 Metern angeordnet werden, gleicht sich die Wellenbewegung der erzeugten Spannung weitgehend aus, sodass dann diese elektrisch parallel geschalteten kleinen Wasserkraftwerke eine kurzfristige etwa gleichbleibende Leistung als Summe vieler kleiner Leistungen in das Netz oder in Batteriespeicher einspeisen können.
Der optimale Abstand dieser kleinen Wasserkraftwerke von der Küstenlinie lässt sich durch Versuche für die unterschiedlichen örtlichen Gegebenheiten ermitteln.
Am Meer steigt durch die Gezeiten der Wasserspiegel etwa 6 Stunden lang an und fällt dann wieder etwa 6 Stunden lang. Diese Änderungen werden durch die Erfindung zur Stromerzeugung zusätzlich genutzt.

Die langsame Auf- und Abwärtsbewegung durch Ebbe und Flut ist überlagert durch sehr viele kleine Auf- und Abwärtsbewegungen des Wasserspiegels sowie durch viele waagerechte Hin- und Herbewegungen des Wassers. Dadurch dass auch diese Wasserbewegungen genutzt werden, ist die erzeugte elektrische
Energie in der Summe wesentlich größer als bei einem einzigen größeren Wasserkraftwerk, das nur den Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut oder die einzige Hauptfließrichtung
des Wassers eines Flusses nutzt.
Als kleine Wasserturbinen im Sinne der Eliindung eignen sich weiter entwickelte Darrieux- Räder (wie beispielsweise StECon), die bei Wasserbewegungen aus verschiedenen horizontalen Richtungen sich um eine vertikale Achse drehen. Am oberen Ende in der Luft kann ein Generator angebracht werden, der dadurch weniger den schädlichen Einflüssen des Wassers ausgesetzt ist wie ein Unterwasser-Generator. Auch der Linear-Generator wird
aus diesem Grund oberhalb des Wasserspiegels angeordnet.  Auch kleine Propeller-Wassergeneratoren sind einsetzbar. die hinten mit einer Blechfahne
ähnlich einem drehbaren Wetterhahn ausgerüstet werden, um den Propeller jeweils automatisch in die Fließrichtung des Wassers ausrichten.
Außerdem sind um 90° versetzte Propeller verwendbar, um Wasserströmungen aus allen Richtungen zu erfassen. Die Leistung der Propeller-Turbinen wird erhöht, indem sie in einem kurzen Rohr untergebracht werden und am Anfang und am Ende des Rohres je ein Trichter angebracht wird, um die Drehgeschwindigkeit des Propellers zu erhöhen.
Welche Art von Wasserturbine verwendet wird, hängt vom Einzelfall ab und kann durch Versuche optimiert werden.
Das ganze Kleinkraftwerk sollte gegen Treibgut durch Gitter geschützt werden.
Kleine Wasserkraftwerke mit Linear-

Generatoren und Kleinturbinen
Schutzanspruch
Kleine Wasserkraftwerke mit folgenden Kennzeichen:
Kleine Schwimmkörper mit Linear-Generatoren, wodurch die vertikalen Bewegungen der Schwimmkörper zur elektrischen Energie benutzt werden, und zugleich mit Kleinturbinen mit
Generatoren, die die horizontalen Bewegungen des Wassers zur elektrischen Energieerzeugung verwenden.
Hubspeicherkraftwerk
von:
Hans Petry
Prof. Dr..lng
Neuhaus 56
D-40883 Ratingen
Tel. 02102 68656


Beschreibung
Bekanntllch benötigt die Stromversorgung künftig viele sehr große Energiespelcher, um die variable Stromerzeugung durch Wind und Sonne für eine gesicherte Versorgung auszugleichen.
Weitere Pumpspeicherkraftwerke sind wegen des starken Eingriffs in die Natur und der hohen Kosten schwer durchsetzbar. Batteriespeicher sind ebenfalls aufwändig und haben oft nur begrenzte Lebensdauer.
Hubspeicherkraftwerke mit Nutzung der potenziellen Energie schwerer tasten (beispielsweise von großen dicken Stahlplatten) können bei sehr großen Abmessungen wirtschaftlicher und
umweilverträglicher sein.
Bei den bisherigen Hubspeicherkraftwerken fehlt die Möglichkeit die Bewegung nach oben mit
Linearmotoren zu realisieren und die Bewegung nach unten mit Lineargeneratoren zur Energie-
Rückgewinnung,
Außerdem können die Förderkörbe dann auch waagerecht bewegt werden,
Diese Bauart gibt es neuerdings bisher nur bei Personenaufzügen.
Für die neuartigen Hubspeicherkraftwerke sind mehrere sehr große Linear~ Motoren und -Generatoren oder Kombinationen von beiden Maschinen erforderlich.
Es geht beispielsweise um Förderkörbe mit Stahlplatten von 50x50 m2 Grundfläche und 5 m Höhe und um eine Hubhöhe von 100 m.
In der oberen und unteren Stellung können eInige Förderkörbe nebeneinander auf Rädern waagerecht verschiebbar geparkt werden, um nacheinander nach unten zur Erzeugung elektrischer Energie und nach oben zum Verbrauch elektrischer Energie transportiert zu werden.
Eine solche Anlage kann In einem Gebäude teilweise abgesenkt im Erdreich angeordnet werden. was dann eher in der Landschaft akzeptabel ist.
Der entscheidende Vorteil ist, dass ein solches Gebäude mit Förderkörben wegen des etwa achtmal höheren spezifischen Gewichtes im Vergleich zu Wasser wesentlich kleiner ist als ein Pumpspeicher-
Kraftwerk.
Eine andere Variante wäre die Nutzung vorhandener ehemaliger Grubenschächte mit einer Hubhöhe von beispielsweise 1000 m und mehr, in die 100 schwere Förderkörbe (5x5x5 m3) übereinander
eingebaut werden.
Diese Förderkörbe können mit Motoren etwa waagerecht über Tage und unter Tage in vorhandenen Stollen verschoben und mit Generatoren abgebremst werden, um möglichst viele Förderkörbe zur Speicherung großer Energiemengen zum Einsatz zu bringen,
Die Technik der Linear-Motoren und -Generatoren sowie des Wechsels zwischen der senkrechten und der waagerechten Bewegung ist von solchen neu entwickelten Personenaufzügen her bekannt.
Wegen der wesentlich größeren Gewichte muss jedoch die Mechanik und die Elektrik sehr viel stärker ausgeführt werden.

Schutzansprüche
1. Hubspeicherkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderkorb mit Linearmotoren hochgefahren wird und rnlt Lineargeneratoren herunterfährt.

2. Hubspeicherkraftwerk nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass der Förderkorb mit Material von hohem spezifischen Gewicht gefüllt ist.

3. Hubspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Förderkörbe vorhanden sind. die arn oberen und arn unteren Ende des Hubes mit Motoren und Generatoren jeweils waagerecht bewegt werden.

4. Hubspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Förderkörbe im Schacht einer Grube übereinander angeordnet werden und über Tage und in den Gruben unter Tage jeweils etwa waagerecht mit Motoren und Generatoren bewegt werden.

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