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◉ Einleitung und Ziele:
Wasserkraft bezeichnet den Prozess, bei dem aus Wasser Antriebskraft gewonnen wird, um Turbinen anzutreiben. Anschließend wird Kraft und Energie an einen Generator übertragen, der sie in Elektrizität umwandelt. In der Natur gibt es mehrere Quellen, die oszillierende mechanische Energie in ihrer Struktur in sich tragen, und Wasser ist eine dieser Quellen. Tatsächlich kann Wasser aufgrund seiner Reaktion auf andere Kräfte in der Natur in oszillierende mechanische Energie umgewandelt werden, die dem Wasser je nach Druckart der umgebenden Kräfte in verschiedenen Formen entnommen werden kann. Es gibt verschiedene Methoden, um die oszillierende Energie von fließendem Wasser in elektrische Energie umzuwandeln und so Elektrizität zu erzeugen. Typischerweise werden bei den meisten Gewinnungsmethoden Turbinen eingesetzt, da die Rotation der Rotorblätter und anschließend der Welle die größte an den Generator zu übertragende Energiemenge erzeugt. In einigen anderen Projekten wird die mechanische Schwingung von auf- und absteigenden Meereswellen oder die Translationsbewegung in der Physik zur Energieerzeugung genutzt.
In allen Wasserkraftwerken sind Turbinen im Strömungsweg des Wassers montiert, sodass der Wasserstrom sie nach dem Auftreffen auf die Turbinenschaufeln in Rotation versetzt und so ein Drehmoment für den Generator erzeugt.
Der weltweite Süßwassermangel und dessen gezielte Nutzung haben dazu geführt, dass Wasser in den meisten Ländern nicht als stabile und zuverlässige Energiequelle gilt. Selbst in Gebieten mit hohen Niederschlägen oder Zugang zum Meer fehlen jedoch kreative Pläne zur Energiegewinnung aus Wasser. Die überwiegende Mehrheit aller aktuellen Projekte (in wasserreichen Gebieten) verursacht bei der Energieerzeugung große Wassermengen.
Diese Herausforderungen und Einschränkungen brachten mich auf die Idee, Energie aus Wasser verlustfrei zu nutzen und zu gewinnen. Anders ausgedrückt: Ich habe versucht, das Wasser nach der Energiegewinnung und -umwandlung in Energie wieder in die Speicherquelle zurückzuführen, sodass die Verlustrate auf Null sinkt, was in wasserarmen Gebieten ein wichtiger und praktischer Faktor ist. Diese Idee basiert auf den Gesetzen der Physik, sodass wir Wassermassen vom Ruhezustand in den Bewegungszustand überführen und diese Bewegung zur Energieerzeugung nutzen können.
Für das Wasserrecycling und die Idee, eine bewegungslose Flüssigkeit zu verwenden, diente mir das physikalische Verhalten von Wirbeln als Vorbild für meinen ursprünglichen Entwurf. Der Unterschied besteht darin, dass Wirbel durch Veränderungen der Naturkräfte entstehen. In meinem vorgestellten Entwurf erzeugen wir den Wirbel jedoch künstlich, sodass wir den Radius des Wirbelkreises vergrößern und gleichzeitig die Rotationsgeschwindigkeit des Wassers im Wirbel steuern können. Durch diese beiden Eigenschaften erhöht sich der Druck des Wasserflusses und die erzeugte Antriebskraft wird kontinuierlicher und stärker, wodurch wir diese Wirbelbewegung des Wassers letztendlich zur Energiegewinnung nutzen können.
Dieses Projekt verfügt über die wichtige "Rezirkulationsfunktion", die es ermöglicht, Wasser nicht nur an der Küste, sondern auch an Land in der Nähe von Stauseen zu seiner ursprünglichen Quelle zurückzuführen. Durch die Einrichtung und Nutzung des Wasserrecyclingsystems wird die Wasserverschwendung auf Null reduziert und das Wasser kann problemlos und ohne Verschwendung in die Stauseen zurückgeführt werden, nachdem die notwendige Antriebskraft für die Generatoren erzeugt wurde. Die Bedeutung des Wasserrecyclingsystems wird besonders deutlich, wenn das Projekt in Gebieten mit niedrigem Wasserstand umgesetzt wird. Denn durch die Umsetzung dieses Projekts wird sowohl Strom erzeugt als auch Wasserverschwendung vermieden. Nach der Energiegewinnung wird das Wasser in den Stausee oder Speicherteich zurückgeführt.
Angesichts der durch Dürren und die globale Erwärmung verursachten Verknappung der Grundwasserressourcen kann der Bau von Wasserkraftwerken mit einem "Wasserrecyclingsystem" erheblich dazu beitragen, die weltweite Verknappung der Süßwasserressourcen auszugleichen. Dieses Konzept lässt sich im Meer, in Seen hinter Staudämmen und in großen Wasserspeichern umsetzen. Mit dem Bau dieses Kraftwerks auf See können wir zudem Süßwasserkraftwerke nutzen, da der künstliche Wirbel den Strom für die Dampferzeugungstanks in thermischen Destillationsanlagen liefert und erneuerbare Energien für wichtige Zwecke nutzbar macht.
◉Technische Beschreibung der Erfindung:
Wie in der Computersimulation (Video am Ende dieses Artikels) zu sehen ist, habe ich zur Wiederverwendung von Meerwasser oder Stausee die neue Idee der Erzeugung eines künstlichen Wirbels genutzt. Die Wasserrückführung erfolgt hierbei über zwei Saug- und Druckbehälter (Vakuumsaugpumpen). Durch den Einsatz von Saug- und Druckbehältern kann aufgrund der kontinuierlichen und gleichmäßigen Bewegung der Turbinenschaufeln eine mechanische Rotationsbewegung erzeugt werden. Darüber hinaus erzeugt die Rotationsbewegung des Wirbels mehr Druck, wenn Wasser in das Turbinenventil eintritt, wodurch die Turbine natürlich kraftvoller und kontinuierlicher arbeitet.
Bei dieser Methode habe ich einen zylindrischen Teich mit flexiblem Radius verwendet. Der Grund für die Verwendung einer zylindrischen Teichstruktur besteht darin, den Reibungskoeffizienten der Wasserbewegung an den Wänden und Seiten des Teichs zu verringern, sodass das Wasser innerhalb des Kreises gleichmäßig rotieren kann, ohne 45-Grad-Winkel zu erzeugen. Physikalisch gesehen gilt: Je größer der Radius vom Mittelpunkt des an einer Stelle eingeschlossenen Wassers, desto größer ist der durch die Schwerkraft auf die Wassermasse erzeugte Druck. Um eine höhere Geschwindigkeit und einen höheren Druck der Wasserrotation im Teich zu erreichen, müssen wir einen zylindrischen Teich bauen. Dieser Teich kann aus Beton mit wasserdichter Beschichtung, Metall mit wasserdichter Beschichtung oder kompaktem und langlebigem Kunststoff bestehen. Das in diesem Teich eingeschlossene Wasser kann nach Erreichen der kontinuierlichen Rotation die Druckwirkung eines großen Strudels genau simulieren, mit dem Unterschied, dass sich die Energieerzeugungsanlage im Teich und im Zentrum des Strudels befindet. Die besten Orte für dieses Projekt sind die Meeresküste, Staudämme und unabhängige Wasserbecken.
Ein Wirbel ist ein physikalisches Phänomen, das durch die Kreisbewegung eines Gases oder einer Flüssigkeit innerhalb eines bestimmten Bereichs entsteht. Im Zentrum des Wirbels befindet sich ein Punkt, um den sich das Material dreht. Tatsächlich entsteht Rotation, wenn die Geschwindigkeit von etwas, das diesen Punkt oder diese Linie umgibt, variiert. Aufgrund dieser Eigenschaft kann sogar Luft, die über eine Flugzeugtragfläche streicht, als Beispiel für die Rotation eines Wirbels angesehen werden. Bei dieser Idee werden durch die Verwendung eines kreisförmigen Teichs die Reibungskräfte an den Winkeln eliminiert und der Drehimpuls des Wassers bleibt konstant, während es sich nach innen bewegt. Obwohl die Geschwindigkeit des Wassers an der Innenwand des Teichs leicht abnimmt, wenn es sich dem Zentrum des Wirbels nähert, reicht dieser Rotationsdruck im Zentrum des Wirbels aus, um das Wasser mit großer Kraft und großem Druck in den Turbineneinlass zu drücken. Dieser Wasserdruck kann nach dem Eintritt in die Turbine die Turbinenschaufeln schnell und kraftvoll rotieren lassen, da der Wasserdruck im dynamischen Eintrittsmodus (fließendes Wasser) in die Turbinen etwa fünfmal höher ist als der Druck im statischen Eintrittsmodus (stehendes Wasser), der je nach Rotationsgeschwindigkeit des Wirbels variiert.
Um Wasser im zylindrischen Teich zu bewegen, müssen wir Zentripetalkräfte erzeugen und auf das Wasser im Teich anwenden. Zentripetalkräfte ziehen die umgebende Masse zum Wirbelzentrum hin, was die Hauptursache für die Rotationsbewegung in einem Wirbel oder einem System ist, das den Rotationskräften von Tornados ähnelt. Die Verteilung von Wassergeschwindigkeit und -druck im Wirbelhang hängt von der Höhe bzw. Tiefe des Wirbels ab. Das bedeutet, dass eine höhere Rotationsgeschwindigkeit am Wirbelboden eine stärkere Konzentration der Zentripetalkräfte in diesem Bereich bedeutet. Diese physikalischen Gesetze bedeuten, dass wir, um eine höhere Geschwindigkeit der Rotationsbewegung des Wassers zu erreichen (Teiche mit kleinerem Radius), größere Druckkräfte erzeugen müssen. Um dies zu vermeiden, habe ich den Radius des Teichs mit 200 Metern vom Zentrum aus angesetzt, sodass die Wirbelwand an ihrem tiefsten Punkt durch die Kombination von Luftdruck, Wasserdruck und Schwerkraft die größtmögliche Geschwindigkeit erreicht.
Wie auf den Bildern zu sehen ist, wurde dieses groß angelegte Design auf dem Meer errichtet, um durch die Rotation des Wassers den höchstmöglichen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung zu erzielen. Die Wassereinlasskammer zur Turbine befindet sich in der Mitte des Teichs, der über vier dicke und lange Beine mit dem Meeresboden verbunden ist. Die Station (zylindrische Kammer) besteht aus Metall mit einer wasserdichten Beschichtung und beherbergt die Turbinenkammer und die Welle, die mit dem Generator und dem Personalkontrollraum verbunden ist. Die Station (zylindrische Kammer) ist ungefähr 20 Meter hoch (vom niedrigsten bis zum höchsten Punkt) und ungefähr 30 Meter breit (Durchmesser). Die große Turbinenschaufelkammer befindet sich im mittleren und untersten Teil der Station.
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Acht Wassereinlassventile sind am untersten Teil der Anlage montiert, sodass das in die Schaufelkammer eintretende Wasser die Turbinenwelle in Rotation versetzt. An jedem Einlass befindet sich ein 45-Grad-Kniestück, um die Reibung zu reduzieren, den Einlass jedes Rohrs genau im direkten Rotationsweg des Wassers zu positionieren und so mehr Druck in die Turbinenschaufelkammer einströmen zu lassen. Diese acht Verbindungskniestücke spielen eine wichtige Rolle bei der verlustfreien Energieübertragung in die Turbine. Wird das 45-Grad-Verbindungskniestück nicht verwendet, entsteht hohe Reibung, da das Wasser in einer gekrümmten und ungleichmäßigen Linie mit dem Turbineneinlass rotiert, was zu einem Druckabfall am Wassereinlass von über 50 Prozent führt.
Die physikalische Struktur der Wasserzirkulation im Teich ist so aufgebaut, dass das Wasser nach dem Öffnen der acht Einlassventile in das Turbinenschaufelgehäuse gesaugt wird. Nach dem Eintritt in die Turbine und dem Drehen der mit der Welle verbundenen Schaufeln wird das Wasser aus dem Auslassrohr am Boden des Gehäuses ausgestoßen und von zwei großen Vakuumtanks angesaugt. Dieser Sog beschleunigt die Strömung zwischen den Turbinenein- und -auslassöffnungen und erhöht die Drehzahl der Turbinenwelle. Dieser Sog erhöht auch die Rotationsgeschwindigkeit des Wirbels, der aufgrund dieser Bewegungsladung stärkere Zentripetalkräfte auf die Wirbelflanke ausübt und den Wasserdruck in der Turbine erhöht.
Um die gesamte dynamische Höhe (die vertikale Distanz, die das Wasser in den Tanker einströmen muss) und den Druckabfall in den Rohrleitungen auszugleichen, sind auf beiden Seiten der Station zwei Vakuumsaugtanker installiert. Diese beiden Tanker erzeugen einen sehr starken Unterdruck mit hoher Saugkraft, indem sie Luft aus dem Saugisolationstank absaugen und herauspressen. Durch Öffnen des Tankerauslassventils in Richtung Becken bewegt der atmosphärische Druck im Tank die Druckluftmoleküle von oben nach unten, um den Raum zwischen den Molekülen auszugleichen. Diese Bewegung zwingt die Massenenergie des Wassers zum konstanten atmosphärischen Druck im Tank. Infolgedessen führt die Änderung des Tankinnendrucks zur Entstehung einer starken Saugkraft auf der Seite des Einlassventils oben am Tanker.
Diese Saugfähigkeit wird erreicht, indem der obere Einlass des Tankers (Wasser verlässt die Turbine) für einen stabilen Kreislauf mit dem gewünschten Druck geöffnet wird. Der Rücklaufkreislauf wird durch das Ansaugen von Wasser aus der Turbine in den Tanker und vom Tanker in den Teich abgeschlossen. Wenn der Druck in der Tankerkammer die absolute Vakuumgrenze (Nulldruck und keine Gasmoleküle) nicht erreicht, verursacht dies Druckänderungen und eine gleichmäßige Wasserbewegung am Ein- und Auslass des Tankers. Der Druck, der durch das Pumpen des Wassers durch die Vakuumsaugtanker entsteht, wird auf das künstliche Wirbelrotationssystem übertragen. Die kontinuierliche Zirkulation des Wassers vom Teich in den Turbinentank und von der Turbine in den Vakuumsaugtanker und dann zurück in den Teich führt zu einer stabilen und kontinuierlichen Drehbewegung der Turbine. Der Generator erzeugt die nötige Kraft zur Stromerzeugung.
Oberhalb der Turbine ist in der Mitte der zylindrischen Kammer des Kraftwerks ein vertikaler Synchrongenerator montiert, der die Turbine mit dem Generator verbindet und so das Drehmoment geradlinig und ohne Energieverlust überträgt. Die Turbinenwelle ist direkt mit dem Rotor des Generators verbunden, sodass das Drehmoment durch die Drehung der Welle auf den Generator übertragen wird und den Rotor in Rotation versetzt, wodurch Strom erzeugt wird. Um das System durch menschliche Kraft steuern zu können, befindet sich oberhalb der Turbinenoberfläche eine interne Werkstatt, die die direkte Überwachung und Überprüfung des korrekten Betriebs von Turbine und Generator durch ein Expertenteam ermöglicht.
Der Bau eines künstlichen Strudel-Wasserkraftwerks, das Energie aus Meerwasser oder Teichen nutzt, kann nicht nur die Nutzung begrenzter Wasserressourcen einsparen, sondern auch die Umweltverschmutzung durch fossile Brennstoffe nutzende Kraftwerke deutlich reduzieren. In vielen Teilen der Welt ist die Nutzung erneuerbarer und umweltfreundlicher Ressourcen möglich. Es bedarf lediglich der transnationalen Entschlossenheit und praktischen Planung der Energiepolitiker zur optimalen Nutzung erneuerbarer Ressourcen. Ich hoffe, dass solche Pläne und Ideen den Übergang zur vollständigen Nutzung sauberer Energie weltweit fördern und beschleunigen.
Wie andere Erfindungen verfügt auch diese über das Potenzial zur Weiterentwicklung und Optimierung und kann durch ihre Kommerzialisierung einen wesentlichen Beitrag zur Verringerung der Umweltzerstörung leisten.
◉ Animationskünstler dieses Videos: Ali Pourahmad
◉ Musikkomponist dieses Videos: Ali Pourahmad
◉ Sprecher: Ali Pourahmad
◉ Sprache: Englisch
◉ Untertitel: Keine