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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung unter
Ausnutzung der potentiellen Energie von Wasser. Die Ausnutzung der
Wasserkraft beruht auf dem Prinzip, die potentielle Energie des
Wassers, das schwerkraftbedingt fließt, in kinetische Energie umzuwandeln.
Diese Ausnutzung der Wasserkraft ist (im Gegensatz zur Energiegewinnung
durch Verbrennung) umweltfreundlich und zählt zu den sogenannten regenerativen
Energiequellen, da über
den natürlichen
Wasserkreislauf, insbesondere über
die Verdunstung, den Wind sowie die Niederschläge, aber auch durch Quellwasser
in höheren Gebieten
die Energie zeitlich unbegrenzt zur Verfügung steht.
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Die älteste Ausnutzung
der Wasserkraft ist über
Schaufelräder
von Wassermühlen
bekannt. Schon früh
wurden mittels solcher Wasserräder
Maschinen wie Mahlwerke oder Pumpen angetrieben.
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Prinzipiell
ist es auch möglich,
mit fließendem
Wasser angetriebene Wasserräder
zum Antrieb eines Stromgenerators zu verwenden, jedoch können hiermit
nur kleine Energiemengen gewonnen werden. Dies liegt daran, dass
bei einem sogenannten oberschlächtigen
Wasserrad das Wasser von oben her auf einen Radkranz strömt, wonach
das Rad durch die Gewichtskraft des aufgenommenen Wassers in Bewegung
versetzt wird. Die maximale Gewichtskraft ergibt sich aus der Wassermenge,
die strömungs-
und schwerkraftbedingt auf die Radkranzprofile einwirkt. Die Kraftübertragung
auf das Wasserrad findet praktisch nur im oberen Bereich über einen
Drehwinkel von 90° statt,
da hiernach das Wasser von den Wasserrad-Schaufeln abfließt. Bei sogenannten
unterschlächtigen
Wasserrädern,
bei denen der Radkranz in einen strömenden Wasserlauf getaucht
wird, wird lediglich die Fließgeschwindigkeit des
Wassers ausgenutzt.
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Zur
Ausnutzung der Wasserkraft werden daher Laufwasserkraftwerke, bei
denen das strömende Wasser
eines Flusses oder eines vom Fluss abgezweigten Kanals zur Stromerzeugung
ausgenutzt wird, mit Turbinen betätigt. Verwendet werden Kaplan-,
Rohr- oder Durchströmturbinen.
In Talsperrenspeicherkraftwerken wird das Wasser aus Talsperren unter
Ausnutzung großer
Fallhöhen
unter Verwendungen von Francis- oder Kaplan-Turbinen am Fuß der Staumauer
zur Stromerzeugung ausgenutzt. Bei Bergspeicherkraftwerken werden
hochgelegene, natürliche
oder künstliche
Wasserspeicher über
Rohrleitungen mit der talseitig befindlichen Turbine verbunden.
Für die
hierbei noch höheren
auftretenden Fallhöhen
kommen Pelton-Turbinen zum Einsatz. Der Nachteil solcher Laufwasserkraftwerke
ist jedoch der hohe Investitionsaufwand, der nur bei entsprechend
großen
zur Verfügung
stehenden Wassermengen in Verbindung mit einer entsprechenden Stromabnahme
lohnt. Nachteilig sind bei solchen Turbinen die Eingriffe in das
natürliche
Gewässer
durch Zerstörung
der Kleinlebewesen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach aufgebaute
Vorrichtung zur Energieumwandlung unter Ausnutzung der potentiellen Energie
von Wasser anzugeben, die kostengünstig und im wesentlichen wartungsfrei
betrieben werden kann und die gegenüber den bekannten Wasserrädern eine
höhere
Energieausbeute ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere Becherelemente an einem
Endlos-Zugmittel befestigt sind, das auf einer Bahn mit Orten in
unterschiedlichen Höhen
geführt
ist, wobei über
einen Wasserzulauf die Becherelemente an einem höher gelegenen Ort ganz oder
teilweise befüllbar
und an einem tiefer gelegenen Ort entleerbar sind. Die vorgenannte
Erfindung geht hierbei davon aus, dass durch die potentielle Energie
von einzelnen Wasserchargen, die in Becherelemente gefüllt werden,
deren kinetische Energie ausgenutzt wird, die sich schwerkraftbedingt
einstellt. Grundsätzlich
können
hier unterschiedliche Verfahrenstechniken, wie Sie beispielsweise,
in den Unteransprüchen
2 bis 8 und im Anspruch 9 beschrieben werden, Anwendung finden.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Insbesondere
kann die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet sein, dass zwei in unterschiedlichen Höhen drehbar
angeordnete Umlenkrollen, Räder oder
Trommeln über
ein Endlos-Zugmittel miteinander verbunden sind, das mehrere Becherelemente aufweist,
die sich nach einer Befüllung
mit Wasser schwerkraftbedingt bewegen und im tiefsten erreichbaren
Punkt entleeren, so dass das Endlos-Zugmittel und mit ihm die Umlenkrollen,
die Räder
oder Trommeln antreibbar sind. Der Vorteil dieser Anordnung besteht
zunächst
einmal darin, dass nach Art eines Becherwerkes, wie es zum Schöpfen im
Prinzip nach dem Stand der Technik bekannt ist, eine Vielzahl von Becherelementen
an einem Endlos-Zugmittel angeordnet sind. Gibt man das einem fließenden oder
stehenden Gewässer
entnommene Wasser am höchsten
Punkt in die jeweils umlaufenden Becher, so kann zum Antrieb des
Zugmittels und damit zum Antrieb der Räder oder Trommeln das Gewicht
ausgenutzt werden, das sich aus der Summe der Teilgewichte der Wassermengen
ergibt, die in den Becherelementen eingefüllt worden sind. Am untersten
Umkehrpunkt werden die Becherelemente mit dem Zugmittel umgelenkt,
wodurch der Wasserinhalt ausgeschüttet wird, so dass die Becher
entleert nach oben bewegt werden, bis sie am höchsten Punkt, möglichst
im Bereich des Umlenkpunktes für
das Zugmittel wieder befüllt
werden. Durch diese Maßnahme
wird die Effizient wesentlich erhöht. Der mechanische Aufbau
ist relativ einfach und im Prinzip wartungsarm. Die über das
Zugmittel auf die Räder
oder Trommeln bzw. deren Wellen übertragene
Bewegungsenergie kann – ähnlich wie
bei den nach dem Stand der Technik bekannten Wasserrädern – zum Antrieb
von Maschinen oder zur Stromerzeugung ausgenutzt werden. Die Größe der Becherelemente
kann dem Bedarfszweck und der zur Verfügung stehenden Wassermenge
angepasst werden.
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So
sind die Umlenkrollen, Räder
oder Trommeln vorzugsweise vertikal übereinander angeordnet. Hierdurch
ergibt sich die kompakteste Bauweise, da für die Energieumwandlung letztlich
nur der Höhen
unterschied maßgeblich
ist, den die Becherelemente von oben nach unten zurücklegen.
Dies schließt
selbstverständlich
nicht aus, dass die Vorrichtung dem Gelände angepasst werden kann und die
beiden Umlenkrollen, Räder
oder Trommeln als Umlenkelemente für ein schräg laufendes Zugmittel aus der
Vertikalen versetzt zueinander angeordnet sind. Unter Umständen kann
das Endlos-Zugmittel auch auf beliebig geformten Bahnen geführt werden.
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Als
Zugmittel kann auf die bekannten Elemente wie Seil, Band oder Kette
zurückgegriffen
werden. Ggf. können
auch zwei oder mehreren Seile, Bänder
oder Ketten nebeneinander parallel gespannt sein.
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Letztere
Ausführungsform
hat den Vorteil, dass das zur Verfügung stehenden Bechervolumen entsprechend
größer gewählt werden
kann.
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Weiterhin
vorzugsweise werden die Becherelemente in gleichem Abstand zueinander
angeordnet. Jedes Becherelement besteht aus einem trogförmigen Behälter, der
insbesondere lösbar
am Zugmittel befestigt ist. Der Abstand, den die Behälter voneinander
haben, kann von Fall zu Fall variieren und hängt (bei Ausnutzung von fließenden Gewässern) von
der Fließgeschwindigkeit
des Wassers, von dem Füllvermögen der
einzelnen Becherelemente in Relation zu der maximalen Zugbelastbarkeit
des Zugmittels sowie einer etwaig gewünschten gleichförmigen Lastaufgabe
auf das becherwerkartige Zugmittel ab.
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Nach
einer beispielhaften Ausführungsvariante
wird der Durchmesser der Räder
oder Trommeln, zumindest der Durchmesser des oberen Rades bzw. der
oberen Trommel relativ groß gewählt, insbesondere
kann er mindestens 6 m betragen. Das untere Rad bzw. die untere
Trommel kann einen gleich großen
Radius wie das obere Rad bzw. die obere Trommel besitzen oder durchmesserkleiner ausgebildet
sein, so dass sich durch das Verhältnis der beiden Durchmesser
ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis wählen lässt.
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Vorzugsweise
und um eine möglichst
große Effizienz
zu schaffen sollte der Abstand der Umlenkrollen, der Räder oder
der Trommeln möglichst
groß sein
und zum Beispiel mindestens 10 m betragen.
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Bei
Bedarf kann eine der Umlenkrollen, eines der Räder oder der Trommeln als Stromgenerator ausgebildet
sein oder mit einem Generator verbunden sein. Prinzipiell ist es
gleichgültig,
von welchem der über
das Endlos-Zugmittel angetriebenen Räder die Drehenergie ausgenutzt
wird, ggf. wird man die höhere
Drehzahl des kleineren Rades zur Energieverwertung bevorzugen.
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Nach
einer alternativen Lösung
besitzt die Vorrichtung ein Rohr, in dem tellerförmige Becherelemente oder Teller
bewegbar sind, die sich zumindest im wesentlichen, vorzugsweise
bis auf ein geringes Spiel über
den gesamten Rohrdurchmesser erstrecken und die an mindestens einem
Endlos-Zugmittel befestigt sind, das in oder am Rohr auf einer geschlossenen
Bahn verläuft.
Die tellerförmigen
Becherelemente oder Teller werden entweder entsprechend ihrer Aufnahmekapazität befüllt oder
dienen als Boden einer Gefäß-Führung mit
den Rohrwänden als
Seitenwänden.
Das an einem höheren
Ort eingelassene Wasser bewegt jedenfalls die tellerförmigen Becherelemente
oder Teller nach unten, wo sie an einem tieferen Ort des Rohres
bzw. dem unteren Umkehrpunkt, gegebenenfalls durch Schwenken entleert
werden und durch das seitlich dieses Rohres geführte Zugmittel wieder zum Ausgangspunkt
befördert
werden, an die das Wasser aufgegeben wird. Unter Umständen kann
das verwendete Rohr ein geschlossener Endlos-Körper sein, der lediglich zwei Öffnungen,
nämlich
einen Wasserzulauf und einen Wasserablauf in unterschiedlichen Höhen besitzt. Vorzugsweise
ist jedoch nur ein als Führungsmittel der
tellerförmigen
Becherelemente oder Teller bei der Abwärtsbewegung dienendes Rohr
vorgesehen, wohingegen die tellerförmigen Becherelemente bei ihrer Aufwärtsbewegung
nicht in einem geschlossenen Rohr geführt werden müssen, so
dass außerhalb
des Rohres leicht Wartungsarbeiten durchführbar sind. Die tellerförmigen Becherelemente
können
unter Umständen
auch als reine Scheiben ausgebildet sein, die bis auf einen geringen
Gleitspalt in einem Rohr geführt
werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 und 2 jeweils
eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei verschiedenen
Seitenansichten,
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3 und 4 jeweils
Becherelemente in verschiedenen Seitenansichten,
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5 eine
alternative Führungsbahn
für die Becherelemente
und
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6 bis 8 alternative
Ausführungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist nach der Art eines Becherwerkes aufgebaut, allerdings mit der
Maßgabe,
dass die schwerkraftbedingte Abwärtsbewegung
der mit Wasser gefüllten
Becherelemente ausgenutzt wird. Die Vorrichtung besitzt nach 1 zwei
Räder 10 und 11,
die vertikal übereinander
angeordnet sind und beispielsweise einen Durchmesser D von 8 m haben.
Die Räder
sind über
eine entsprechende Wellenlagerung drehbar aufgehängt. Um die Räder ist
ein Zugmittel 12 geschlungen, das aus einem Seil, ggf.
einem Drahtseil, einer Kette oder einem Riemen, ggf. auch einem
Zahnriemen bestehen kann. Wesentlich ist, dass das Zugmittel reib- oder
formschlüssig
auf die Räder 10 und 11 einwirken
kann und als Endlos-Zugmittel
eine Drehbewegung auf beide Räder überträgt. An dem
Zugmittel sind äquidistant
aneinandergereiht Becherelemente 13 befestigt, die auf
der einen Seite mit ihrer Öffnung nach
oben weisen und auf der anderen Seite mit ihrer Öffnung nach unten. Hierdurch
bedingt wird bei einer Abwärtsbewegung
der Becherelement in Richtung des Pfeils 14 die entsprechende
Gewichtskraft des Wassers ausgenutzt, das insgesamt in den Becherelementen 13 gesammelt
ist, die sich abwärts
bewegen. Am unteren Umlenkpunkt des Rades 11 schwenken
die Becher und entleeren sich.
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Da
die Becher, welche in Richtung des Pfeils 15 aufwärts bewegt
werden, leer sind, wird das Zugmittel 12 in einer Drehrichtung
so lang betätigt
wie von oben Wasser in einzelne Becherelemente gelenkt wird. Um
eine ausreichende Gewichtskraft, die für die Drehbewegung der Räder auslösend ist,
zu schaffen, sollten die Drehachsen der beiden Räder 10 und 11 relativ
weit, zum Beispiel 10 m, voneinander entfernt liegen. Hierdurch
ergibt sich bei einem Durchmesser D von 8 m für jedes Rad eine Bauhöhe H von
18 m.
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Bei
der in 3 und 4 dargestellten Becherelementanordnung
ist an einem Drahtseil 16 über ein Befestigungsmittel 17 jeweils
in einer Schwalbenschwanzaufnahme 18 ein Becherelement 19, 20 befestigt,
das im seitlichen Querschnitt (siehe 3) dreieckförmig und
in der Draufsicht (siehe 4) quadratisch ausgebildet ist.
Das Becherelement kann beispielsweise eine Kantenlänge a von 0,3
m und eine Höhe
h von 0,4 m besitzen. Der Drahtseildurchmesser d ist im vorliegenden
Beispiel mit 12 mm gewählt.
Alternativ können
auch Gleitschienen verwendet werden.
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Die
Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende:
Etwa
wie durch Pfeil 21 angedeutet wird im oberen Bereich Wasser
auf die dort befindlichen Becherelemente 13 gegeben. Hierdurch
entsteht auf der in 1 dargestellten linken Seite
ein höheren
Gewicht, das schwerkraftbedingt das Zugmittel in Richtung des Pfeils 14 bzw.
auf der anderen Seite in Richtung des Pfeils 15 treibt.
Durch die Übertragung
dieser Bewegung des Endlos-Zugmittels 12 (bzw. 16) drehen
sich die Räder 10 und 11,
so dass an einem oder beiden Rädern
die Drehbewegung als Antriebsenergie für andere Maschinen bzw. für einen
Stromgenerator verwendet werden kann.
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Selbstverständlich sind
auch Abwandlungen der in 1 bis 4 lediglich
schematisch dargestellten Anordnung möglich. Beispielsweise kann
das Zugmittel 12 schräg
liegend angeordnet sein, wenn dies die Geländetopographie erfordert. Ähnlich wie bei
Endlos-Förderern
im Prinzip bekannt, können auch
weitere Stützräder oder
Trommeln zwischen den Rädern 10 und 11,
die als Umlenkräder
dienen, vorgesehen sein.
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Allerdings
soll deren Anzahl so gering wie möglich gewählt werden, um die entstehenden
Reibungsverluste minimal zu halten.
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Zur
Optimierung des Erfindungsgedankens können auch besondere Leitschaufeln,
Dosiereinrichtungen oder ähnliches
verwendet werden, welche den dem oberen Wasserreservoir entnommenen Wasserstrom
gezielt in die Becherelemente lenken.
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5 verdeutlicht,
dass die geschlossene Bahn, entlang der das Endlos-Zugmittel mit
den Becherelementen geführt
wird, nicht nur zwei Endpunkte besitzen kann. Im dargestellten Fall
sind mehrere einzelne Umlenkrollen 21 oder auch auf Körpern 22 oder 23 angeordnete
Umlenkrollen 24 bzw. 25 unterschiedlicher Größe dargestellt,
entlang denen das Zugmittel 12 geführt ist. Wesentlich bei der
Endlosbahn ist lediglich, dass die in 5 nicht
dargestellten Becherelemente einen Höhenunterschied durchlaufen
können,
bei dem die über
das gestaute Wasser gespeicherte potentielle Energie in Bewegungsenergie
umgewandelt wird. Alternativ zu der dargestellten Ausführungsvariante
können
auch die einzelnen Becherelemente der Körper, an denen jeweils mindestens
ein Becherelement angeordnet ist, mit Laufrollen ausgestattet sein,
die entlang einer Führungsbahn,
die der Bahn des dargestellten Zugmittels 12 entspricht,
geführt
werden.
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6 zeigt
eine Prinzipskizze mit einer alternativen Ausführungsform, die ein Fallrohr 26 aufweist,
dass, wie in der Darstellung gewählt,
schräg verläuft oder
auch vertikal angeordnet sein kann. In einem oberen Bereich besitzt
dieses Fallrohr einen Wassereinlaufschacht 27, worüber kontinuierlich oder
diskontinuierlich Wasser in Richtung des dargestellten Pfeils 28 eingeführt werden
kann. In dem Rohr 26 sind tellerförmige Becherelemente 29,
die mit einem Endlos-Zugmittel 12 verbunden sind, derart
geführt,
dass das über
den Wasserzulauf 27 eingeführte Wasser sich oberhalb der
tellerförmigen
Becherelemente 29 staut und aufgrund der potentiellen Energie
die Becherelemente nach unten treibt. Im unteren Teil des Rohres
ist ein Wasserauslauf vorgesehen, über den das Wasser, gegebenenfalls
nach Verschwenkung der tellerförmigen
Becherelemente in eine vertikale Richtung, ablaufen kann. 6 zeigt, dass
prinzipiell die erfindungsgemäße Vorrichtung auch
ohne Räder,
Umlenkrollen oder Trommeln ausgebildet sein kann, wenn ein Rohr
als Führungsmittel gewählt wird.
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Die
in 7 dargestellte Ausführungsform zeigt ein Rohr 30,
in dem tellerförmige
Elemente 31 oder 32 über Roll- oder Gleiteinrichtungen
nach unten bewegt werden können.
Hierzu wird über
eine obere Rohröffnung
das Wasser, veranschaulicht durch Pfeil 33 zugegeben, das
sich oberhalb eines Tellers 31 bzw. 32 aufstaut und durch
das aufgestaute Gewicht den Teller 31 oder 32 als
Teil einer Reihe von Tellern herabbewegt. Bei dem in dem Rohrausschnitt 34 dargestellten
Teller ist die Vorrichtung 35, an der der Teller 31 befestigt
ist, gleitend oder rollend an der Rohrinnenwand geführt, wohingegen
die Gleit- oder Rollvorrichtung, dargestellt im Ausschnitt 37,
an der Rohraußenwand
geführt
ist, wobei die Rohrwand einen Schlitz aufweisen muss, durch den eine
Halterung für
den Teller 32 greift, der im Unterschied zu dem Teller 31 sich
im wesentlichen vollständig über die
Querschnittsfläche
des Rohres 30 erstreckt. Die Vorrichtungen 35 oder 36 sind
als Endloszug 38 rund um die geschlossene Führungsbahn 42 hintereinander
angeordnet, wobei jede der Vorrichtungen 35, 36 entsprechend
der Prinzipskizze in 8 mit einer benachbarten Vorrichtung 35, 36 über Verbindungsglieder 39 verbunden
ist. Die Vorrichtungen können
auf Schienen 40 über
Rollen oder Kufen 41 reibungsarm entlang der geschlossenen Führungsbahn 42 geführt werden.
Auch bei dieser Anordnung wird die potentielle Energie des aufgestauten
Wassers ausgenutzt, indem die Bewegungsenergie zum Antrieb einer
Rolle oder Walze bzw. zur Generierung von Strom verwendet wird.
Das in 7 dargestellte Rohr ist im einfachsten Fall unten
offen, so dass das jeweils aufgestaute Wasser nach Abschwenken des
Tellers 31 oder 32 in Richtung des dargestellten
Pfeils 43 abfließt.
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9 zeigt
in einer vereinfachten Skizze übereinander
angeordnete Becken 44, 45, 46, die jeweils
nacheinander durch zulaufendes Wasser befüllbar sind. Diese Becken sind
mittels Ketten oder ähnlichen
Haltemitteln 47 jeweils mit den benachbarten Becken verbunden
und ferner in einer nicht dargestellten Weise auf einer geschlos senen
Bahn als Endloskette von Becken geführt, die auf der einen Seite
eine Abwärtsbewegung
der Becken 44, 45, 46 erlaubt, die an
einem unteren Punkt angekommen entleert werden und als geleerte
Becken wieder in die Ausgangsposition nach oben gefördert werden
können,
wo sie erneut mit zulaufendem Wasser befüllbar sind. Das jeweils zugelaufene
Wasser kann aus einem Flusslauf, Bachlauf oder durch eine Gezeitenströmung bei
Flut aufgestaut sein, wobei die zur Verfügung stehende potentielle Energie
entweder unmittelbar nach dem Aufstauen oder zeitlich versetzt ausgenutzt
wird.
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- 10
- Rad
- 11
- Rad
- 12
- Zugmittel
- 13
- Becherelemente
- 14
- Pfeil
(aufwärts)
- 15
- Pfeil
(abwärts)
- 16
- Drahtseil
- 17
- Befestigungsmittel
- 18
- Schwalbenschwanzaufnahme
- 19
- Becherelement
- 20
- Becherelement
- 21
- Umlenkrolle
- 22
- Körper
- 23
- Körper
- 24
- Umlenkrollen
- 25
- Umienkrollen
- 26
- Fallrohr
- 27
- Wasserzulaufschacht
- 28
- Pfeil
- 29
- tellerförmige Becherelemente
- 30
- Rohr
- 31
- Teller
- 32
- Teller
- 33
- Pfeil
- 34
- Rohrausschnitt
- 35
- Vorrichtung
- 36
- Vorrichtung
- 37
- Ausschnitt
- 38
- Endloszug
- 39
- Verbindungsglieder
- 40
- Schienen
- 41
- Rollen,
Kufen
- 42
- Führungsbahn
- 43
- Pfeil
- 44
- Becken
- 45
- Becken
- 46
- Becken
- 47
- Haltemittel
- D
- Durchmesser
- H
- Bauhöhe
- a
- Kantenlänge
- h
- Höhe eines
Becherelementes
- d
- Drahtseildurchmesser