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Die
Erfindung betrifft ein unterschlächtiges Wasserrad
zur Gewinnung von Energie, insbesondere elektrischer Energie, aus
Wasserkraft, mit einer Vielzahl von Schaufeln und Verstellelementen
zum Verstellen der Winkelstellung der Schaufeln in Abhängigkeit
vom jeweiligen Drehwinkel des Wasserrades, wobei das Wasserrad eine
Steuervorrichtung zur Steuerung der Verstellelemente aufweist, welche die
Verstellelemente über
ein Kurvenelement steuert wobei die Verstellelemente zwischen dem
Kurvenelement und den Schaufeln angeordnet und mit dem sich mit
dem Wasserrad nicht mitdrehenden Kurvenelement wirkverbunden sind,
und wobei die Schaufeln derart durch die Verstellelemente steuerbar
sind, dass die Schaufeln etwa vom Beginn ihres Eintauchens in das
Wasser bis zum Beginn ihres Austauchens aus dem Wasser im Wesentlichen
senkrecht zur Wasseroberfläche
geführt
sind, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der
GB 20 20 757 A ist
ein unterschlächtiges
Wasserrad dieser Art bekannt. Jede Schaufel ist dabei mit ihrem äußeren Ende
schwenkbar zwischen zwei Seitenscheiben des Wasserrades aufgehängt und
weist an ihrem inneren Ende zwei starr befestigte Verlängerungsarme
auf, die die Verstellelemente bilden. Die Enden dieser Verstellelemente
laufen an einer gegenüber
dem Wasserrad ortsfesten Führungsbahn
ab, die das erwähnte
Kurvenelement bildet. Bei der Rotation des Wasserrades steuern die Schaufeln über die
Verstellelemente und das Kurvenelement ihre Stellung gegenüber dem
Wasserrad selbsttätig
in der Weise, dass sie etwa senkrecht zur Wasseroberfläche durch
das sie antreibende Wasser geführt
werden. Die starr mit den Schaufeln verbundenen Verlängerungsarme
bilden insgesamt eine verhältnismäßig große Drehmasse,
die mit jeder Schaufel verdreht oder verschwenkt werden muss. Zudem
bringt die Steuerung der Schaufeln mittels der starr daran befestigten
Verlängerungsarme
die Gefahr von Zwängungen
mit sich, so dass im rauen Betrieb die Schaufeln auch verklemmen
können.
Die Schaufeln haben dabei die Grundkontur einer Platte, deren Seitenflächen bereichsweise
leicht konvex außen
gewölbt
sind.
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In
dieser
GB 20 20 757
A ist auch ein weiteres Wasserrad beschrieben, das als
mittelschlächtiges
Wasserrad ausgeführt
ist. Anstelle von Schaufeln sind dabei schwenkbar an dem Wasserrad
aufgehängte
Eimer vorgesehen, die an der Zuströmstelle des Wassers eine lotrechte
Stellung einnehmen, so dass das einfallende Wasser zuverlässig eingefangen
und aufbewahrt wird. Wenn die einzelnen Eimer sich nach unten bewegen,
wird über
das erwähnte
Kurvenelement eine Zwangssteuerung vorgenommen, so dass die Eimer
an der unteren Betriebsstelle um 90° gedreht sind und ihren Inhalt
zuverlässig
entleeren.
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Wasserkraftwerke,
die mittlerweile weltweit einen relativ hohen Anteil zur Stromerzeugung
beisteuern, tragen zur Reduzierung des Treibhauseffektes ohne Einsatz
von Kernenergie bei. Es ist daher wichtig, den Wirkungsgrad der
Wasserkraftanlagen weiter zu verbessern.
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Aus
der
DE 196 32 793
A1 ist der Vorschlag bekannt, ein unterschlächtiges
Wasserrad für
die Nutzung in einem schnell fließenden Gewässer bereitzustellen. Das Besondere
des Vorschlags besteht darin, dass die Schaufeln als in Richtung
stromaufwärts
offene, einen Hohlraum bildende Wassereinfangflächen ausgebildet sind. Die
Schaufeln sind starr an dem Wasserrad befestigt. Das Wasserrad soll
in seiner Höhe
verstellbar angeordnet sein. Insgesamt soll damit erreicht werden,
dass die Schaufeln offene Hohlräume
für das
fließende
Wasser bilden und dass die Hohlräume
stets im oberen Bereich des fließenden Gewässers angeordnet werden, in dem
die Geschwindigkeit der Wasserströmung am größten ist.
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Aus
der
DE 30 49 630 A1 ist
ein Axialwindkraftrotor mit wahlweise ungleichförmig zur Rotordrehung wirkender
Schaufelverstellung bekannt. Als Wasserrad wandelt dieser Rotortyp
die Strömungsenergie
von Wasser in eine verwertbare Form um, indem ein kleiner Sektor
des Rotors in die Strömung taucht
und der Strömungsdruck
gegen die Schaufelflächen
wirkt.
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Die
Schaufelstellung wird bei diesem Rotortyp in Abhängigkeit vom Drehwinkel verändert, so dass
der Wirkungsgrad verbessert wird. Zur Verstellung der Schaufeleinstellung
werden nebeneinander angeordnete Pleuel angeordnet, die jeweils
mit einer Schaufel in Verbindung stehen. Durch die Pleuelanordnung
wird zwar der Wirkungsgrad eines Schaufelrades verbessert, jedoch
die Breiten-Abmessung des Wasserrades erhöht. Eine hohe Schaufelanzahl
lässt sich
daher praktisch nicht realisieren, so dass ein sinnvoller Einsatz
dieses Rotortyps zur Wasserkrafterzeugung praktisch ausscheidet.
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Ein
anderes in der
DE 30
49 630 A1 gezeigtes Ausführungsbeispiel zeigt verstellbare
Schaufeln mit einer Kettenanordnung, die jedoch noch aufwändiger ist
und bei der noch weniger Schaufeln angeordnet werden können. In
dem Beispiel gemäss
der
7 dieses Dokuments sind lediglich
zwei Schaufeln vorhanden.
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Die
DE 197 08 636 A1 zeigt
und beschreibt ein Wasserrad, bei dem die Winkelstellung der Schaufeln
in Abhängigkeit
vom Drehwinkel des Wasserrades veränderbar ist. Der dort vorgestellte
Umweltgenerator wird durch die natürliche Energie des fließenden Wasser
angetrieben. Dieser Umweltgenerator kann in jedem fließenden Gewässer ohne
Veränderung
der natürlichen
Gegebenheiten ab einer gewissen Fliessgeschwindigkeit und Wassermenge pro
Zeiteinheit eingesetzt werden. Bei diesem Generator wird mittels
innerhalb des Rotors gegenüberliegende
und in ihrer Stellung durch Zahnräder gesteuerter Prallflächen dem
fließenden
Wasser Energie entzogen und diese Energie zur Stromerzeugung genutzt.
Zu diesem Zweck werden die auf Achsen fixierten Prallflächen durch
eine abgestimmte Zahnradanordnung während der Rotation immer in
die in Relation zur Richtung der Strömung idealen Position gedreht,
wobei damit der höchste
Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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Eine
andere Anordnung eines Wasserrades zeigt und beschreibt die
DE 40 26 638 A1 .
Dort sind Schaufelräder
mit einer erheblichen Anzahl von Schaufeln zwischen Bootskörper-Pontons angeordnet.
Durch die schwimmende Anordnung ist keine bauliche Veränderung
des Ufers erforderlich.
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Eine
andere Wasserkraftanlage ist aus der
DE 43 13 509 A1 bekannt. Das Wasserrad ist
dort lösbar
an die Nabe eines einseitig befestigten, als Baueinheit ausgebildeten
Radnabengetriebes angebracht, dessen Antriebswelle mit einem Generator verbunden
ist und diesen antreibt. Die Schaufeln sind jedoch nicht verstellbar
angeordnet.
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Andere
Wasserradanordnungen mit verstellbaren Schaufeln sind in
DE 299 02 722 U1 und
GB 20 97 864 A beschrieben.
Die Schaufeln sind zwar dort grundsätzlich verstellbar. Die Wasserräder eignen
sich jedoch nicht als unterschlächtige
Wasserräder,
weil dort alle Schaufeln im Wasser eingetaucht sind.
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Die
Erfindung befasst sich mit einem unterschlächtigen Wasserrad der eingangs
zuerst genannten Art und hat zum Ziel, in konstruktiv einfacher Weise
dessen Wirkungsgrad und Betriebsweise noch weiter zu verbessern.
Dabei sollen alle Vorteile des Standes der Technik, insbesondere
ein möglichst
geringer Einfluss auf den natürlichen
Wasserfluss, erhalten bleiben.
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Dieses
Ziel wird bei einem Wasserrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 mit den Merkmalen seines kennzeichnenden Teils erreicht. Die Erfindung
bewirkt durch die Schaufeln, die in Anströmrichtung konkav mit einem
umlaufenden Rand ausgebildet sind, besonders günstige Strömungsverhältnisse an den in das Flusswasser
eingetauchten Schaufeln. Das die Schaufel beaufschlagende Wasser
wird nämlich
in der Schaufel wegen ihrer vorzugsweise flachen Teller- oder Schüsselform „gefangen", so dass die kinetische
Energie des strömenden
Wassers besonders gut ausgenutzt wird. Dabei sind die Schaufeln
an einem zum Drehpunkt des Wasserrades orientierten Lagerpunkt an
die Verstellelemente angelenkt; sie bilden also mit den Verstellelementen nicht
mehr eine starre Einheit. Bei dem erfindungsgemäßen Wasserrad wirken die Verstellelemente
im Wesentlichen als Stößel, die
in ihrer Längsrichtung bewegt
werden; die Dreh- oder Schwenkbewegung ist auf die Schaufeln selbst
beschränkt.
Durch diese Ausbildung können
die Schaufeln besonders genau senkrecht zur Wasseroberfläche beim
Durchgang durch das strömende
Wasser eingestellt werden. Die Gefahr von Zwängungen im Verstellmechanismus
ist wesentlich verringert. Daher kann erwartet werden, dass die
optimale Schaufelstellung über
längere
Betriebszeiten hin gewährleistet
ist. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades und eine verbesserte
Wirtschaftlichkeit sind insgesamt die Folge.
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In
den Ansprüchen
2 bis 4 sind weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wasserrades angegeben,
die sich in Verbindung mit einem Wasserrad gemäß Anspruch 1 als besonders
vorteilhaft erwiesen haben und ebenfalls den Vorteil einer guten Energieausnutzung
vertiefen.
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Im
Einzelnen besteht die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 darin, dass das
Kurvenelement eine einer gewünschten
Verstellbewegung der Schaufeln entsprechend geformte Kurvenoberfläche aufweist und
die Verstellelemente an ihrem der Nabe des Wasserrades zugewandten
Ende an der Kurvenoberfläche
geführt
sind. Diese Weiterbildung dient dazu, die Zahl der Schaufeln mit
vertretbarem Aufwand zu erhöhen.
Die Anzahl der Schaufeln wird praktisch durch die Kurvenoberfläche begrenzt.
Durch Vergrößerung der
Kurvenoberfläche
lässt sich
die Anzahl der Schaufeln weiter erhöhen.
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Wenn
gemäß der Weiterbildung
nach Anspruch 3 der Lagerpunkt des Wasserrades in einem Abstand über der
Wasseroberfläche
von mindestens der 1,5-fachen Höhe
der Schaufeln angeordnet ist, so ergibt sich ein für die Energiegewinnung
günstiges Drehmoment.
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Die
Weiterbildung gemäß Anspruch
4 sieht vor, dass die Verstellelemente in einer senkrecht zur Wasseroberfläche und
parallel zur Wasserflussrichtung angeordneten Ebene angeordnet sind.
Dadurch lässt
sich der Verstellmechanismus der Schaufeln in einer sehr schmalen
Bauform verwirklichen.
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Gemäß Anspruch
5 erfolgt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wasserrades durch
die abwechselnde Anordnung von ersten und zweiten Schaufeln, wobei
die zweiten Schaufeln gegenüber
den ersten Schaufeln näher
am Drehpunkt des Wasserrades als die ersten Schaufeln und jeweils
zwischen diesen angeordnet sind. Es ergibt sich dadurch eine höhenversetzte
Anordnung der Schaufeln bei ihrem Durchgang durch die Wasserströmung; eine
strömungsmäßige Beeinflussung
der vorlaufenden Schaufeln durch die nachlaufenden Schaufeln ist
damit zumindest reduziert.
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Schließlich zeigen
die Ansprüche
6 und 7 auch, wie in einer Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie
das erfindungsgemäße Wasserrad
vorteilhaft zum Aufbau einer Energiegewinnungsanlage in einem strömenden Fluss
ausgenutzt werden kann.
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Mit
dem Frequenzwandler der Anlage wird der sich ändernden Strömungsgeschwindigkeit
des Flusses Rechnung getragen. Denn die sich ändernde Drehzahl wird dadurch
auf einfach Weise kompensiert. Die Anordnung zumindest eines Ruders
im Anströmbereich
und im Abströmbereich
gemäß der Weiterbildung
nach Anspruch 7 ist eine strömungstechnisch
besonders einfache Möglichkeit,
den konstanten Abstand der Anlage zum Ufer einzuhalten.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
ein erfindungsgemäßes Wasserrad
in Seitenansicht,
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1a eine
abgewandelte Ausführungsform des
in 1 dargestellten Wasserrades,
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2:
eine Schnittdarstellung gemäß der Linie
A-A des in den 1 und 1b gezeigten
Wasserrades,
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3:
eine Schnittdarstellung der Schaufel,
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4:
eine Vorderansicht einer schwimmenden Anordnung und
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5:
eine Aufsicht der in 4 gezeigten Anordnung.
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Das
in 1 gezeigte Wasserrad 1 weist jeweils
bezüglich
der maximalen radialen Erstreckung gleich angeordnete Schaufeln 2 mit
identischen Abmessungen auf. Eine kompakte Bauform sowie eine relativ
hohe Anzahl von Schaufeln wird durch die dort gezeigte Steuervorrichtung
erreicht. Die Steuervorrichtung bewirkt, dass die Schaufeln 2,
wenn sie in das Wasser eintauchen, im Wesentlichen senkrecht geführt sind.
Durch diese im Wesentlichen senkrechte Schaufelführung im Wasser wird ein besonders hoher
Wirkungsgrad erreicht. Die Schaufeln 2 sind an einem Lagerpunkt 12 drehbar
gelagert. An der Schaufelrückseite
ist bei etwas einem Drittel der Schaufelhöhe ein Anlenkpunkt 13 vorhanden.
An diesem Anlenkpunkt 13 ist ein als Steuerstab 14 ausgebildetes
Verstellelement 4 (siehe 2) scharnierartig
verbunden, welches bei den oberen drei Schaufeln aus Gründen einer
vereinfachten Darstellung weggelassen ist. Dieser Steuerstab 14 bewirkt,
dass beim Drücken
des Steuerstabes in Richtung des Gewässergrundes 15 die
jeweilige Schaufel 2 gegen die Wasserströmung gehalten
wird. Beim Ziehen des Steuerstabes 14 wird die jeweilige
Schaufel in Wasserdruckrichtung geschwenkt. So ist die in 1 am weitesten
links angeordnete Schaufel nahezu parallel zur Wasseroberfläche angeordnet,
weil der Steuerstab 14 radial nach außen steht. Wenn das Wasserrad
weitergedreht wird und die Schaufel sich in Richtung der Wasseroberfläche bewegt,
dann wird der Steuerstab 14 gezogen, wodurch eine senkrechte
Schaufelanordnung in Bezug zur Wasseroberfläche erreicht wird. Die speicherartig
angeordneten Steuerstäbe 14 enden
an ihren bezüglich
der Schaufeln 2 gegenüberliegenden
Enden an einem Kurvenelement 6, das mit einer entsprechend
der gewünschten
Schaufelstellung geformten Kurvenoberfläche 8 versehen ist.
Die Kurvenoberfläche 8 weist an
den Stellen, bei dem die Schaufeln nahezu Vorrichtung dem Eintauchvorgang
in das Wasser stehen, eine leichte Einbuchtung 16 auf.
Die Einbuchtung 16 bewirkt, dass die an der Kurvenoberfläche 8 anliegenden
Enden der Steuerstäbe 14 sich
in Richtung des Wasserraddrehpunktes bewegen, wodurch die in der 1 gezeigte
Schaufelstellung erreicht wird. Die Steuerstäbe 14 sind Teil der
Verstellelemente. Das Kurvenelement 6 kann jedoch durch
jedes beliebige Kurvenelement ersetzt werden, welches durch seine
Kurvenform die Schaufeln 2 entsprechend steuert. Das Kurvenelement 6 dreht
sich nicht mit dem Wasserrad mit, so dass die Verstellglieder 14 stets
durch das Kurvenelement 6 geführt sind.
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Wie
in der 1 zu erkennen ist, tauchen die Schaufeln 2 senkrecht
in das Wasser ein, bleiben in den Wasser senkrecht wieder aus dem
Wasser herausgezogen. Dies ermöglicht
einen optimalen Wirkungsgrad.
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Die
Leistungssteigerung ist daher so vorteilhaft, weil die zur Verfügung stehenden
Stellen an Flüssen
begrenzt sind und die Energiegewinnung durch Wasserkraft nicht beliebig
erhöht
werden kann.
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Gemäß der Darstellung
in 1a sind im Vergleich zu 1 die Lagerpunkte 12 teilweise
geändert.
Dabei sind die ersten Schaufeln 2a weiter vom Drehpunkt
des Wasserrades 1 entfernt gelagert als die zweiten Schaufeln 2b.
Dies bewirkt, dass sich die Schaufeln im Wasser nicht gegeneinander überdecken.
So steht deshalb eine wesentlich größere Wasserdruckfläche zur
Verfügung,
was eine Leistungssteigerung in konstruktiv einfacher Weise ermöglicht.
Die unterschiedliche Anlenkung der Schaufeln erfordert verschieden
lange Verstellglieder. Analog zu 1 sind zur
Vereinfachung der Zeichnung die Verstellglieder 14 der
obersten drei Schaufeln weggelassen.
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Aus
der in 2 gezeigten Darstellung wird deutlich, dass die
Schaufeln 2 relativ breit ausgeführt sind, vorzugsweise über 10 Meter,
was eine hohe Energiegewinnung ermöglicht.
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3 verdeutlicht
die Schaufelform, die im Wesentlichen konkav ausgeführt ist
und einen im Wesentlichen umlaufenden Rand 9 aufweist.
Das die Schaufel 2 beaufschlagende Wasser wird so in der Schaufel
wegen ihrer vorzugsweise flachen Teller- oder Schüsselform „gefangen", d.h. kann nicht
ohne weiteres wieder von der Schaufeldruckfläche 15 abfließen.
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In
den 4 und 5 ist eine besonders umweltschonende
Anordnung dargestellt, weil das Ufer nicht berührt wird. Das Wasserrad 1 ist
zwischen zwei Pontons 10 schwimmend angeordnet und kann daher
an beliebiger Stelle in einem Fluss angeordnet werden. Es können auch
ohne weiteres mehrere parallel sowie auch dahinterliegende Wasserräder angeordnet
werden, ohne dass etwas an dem Ufer verändert werden muss. Mittels
eines Abstandssensors 11, welcher ein Signal an eine Rudersteuereinrichtung
zur Steuerung von Rudern 22 liefert, wird erreicht, dass
das Wasserrad einen im Wesentlichen konstanten Abstand zum Ufer
aufweist. Die in den 4 und 5 gezeigte
Anlage wird an dem Ufer lediglich mit einem Seil 23 festgehalten.
Das Ende des Seiles 23, das mit der Anlage verbunden ist,
ist seitlich verstellbar angeordnet, wie durch den Doppelpfeil A
dargestellt ist. An der Zuströmseite
der Anlage sind zwei Ruder 22 vorhanden. Der Abstand X der
Anlage zum Ufer wird durch diese Abstandssteuervorrichtung immer
konstant gehalten.
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Mit
der erfindungsgemäßen Ausbildung
wird auf einfache Weise die Strömungsenergie
eines Flusses ausgenutzt. Obwohl ein Wasserrad als solches bekannt
ist, wurde nunmehr festgestellt, dass die erfindungsgemäße Anordnung
des Wasserrades in einem strömenden
Fluss einen hohen Wirkungsgrad erreicht und somit wirtschaftlich
und konkurrenzfähig
zu anderen Kraftwerken ist, wobei Umweltprobleme nahezu vermieden
werden.
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Die
alleinige Strömungsgeschwindigkeit
eines Flusses reicht aus, um die neue Anlage zur Gewinnung von elektrischer
Energie zu betreiben. Dabei können
ein Wasserrad oder damit in Reihe geschaltete weitere Wasserräder vorgesehen
sein. In dem Fall eines Flusses, auf welchem die Schifffahrt stattfindet,
braucht beispielsweise diese Kette der aneinandergreifenden Wasserräder nicht über die gesamte
Breite des Flusses zu reichen, um somit noch Platz für die durchfahrenden
Schiffe zu lassen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für das Anbringen
der Wasserräder
im Fluss zusätzliche
Bauten nicht erforderlich sind, sondern das Wasserrad oder die Wasserräder beispielsweise
unter schon bestehenden Brücken
geschaltet werden können,
ohne hierbei beispielsweise die Natur oder das Umweltbild zu beeinflussen.
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- 1
- Wasserrad
- 2
- Schaufeln
- 2a
- erste
Schaufeln
- 2b
- zweite
Schaufeln
- 4
- Verstellelemente
- 5
- Wasserdruckfläche
- 6
- Kurvenelement
- 8
- Kurvenoberfläche
- 9
- Rand
- 10
- Pontons
- 11
- Abstandssensor
- 12
- Lagerpunkt
- 13
- Anlenkpunkt
- 14
- Steuerstab
- 15
- Gewässergrund
- 16
- Einbuchtung
- 20
- Schaufel
- 22
- Ruder
- 23
- Seil