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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem
strömenden Fluid, mit einer Vielzahl von Schaufeln, die
hintereinander an mindestens einem endlosen Förderelement schwenkbar
gelagert sind, das um zwei im Abstand voneinander angeordnete Umlenkeinrichtungen
herum verläuft, wobei das mindestens eine endlose Förderelement
zwei parallele und im Wesentlichen in Strömungsrichtung
des Fluids anzuordnende Trums bildet, die sich von einer der beiden
Umlenkeinrichtungen zur anderen erstrecken, wobei die momentan an
einem ersten Trum befindlichen Schaufeln durch das Fluid in eine
Stellung getrieben werden, in der sie dem Fluid einen Widerstand
darbieten, und die momentan an einem zweiten Trum befindlichen Schaufeln
in eine zu diesem Trum parallele Stellung schwenkbar sind.
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Eine
derartige Vorrichtung aus der
DE 33 46 634 A1 bekannt. Die darin beschriebene
Unterwasserkraftanlage dient zur Gewinnung von elektrischer Energie
aus ungestauten Flüssen und wird zu diesem Zweck auf einen
Flussgrund gesetzt und dort verankert. Das anströmende
Flusswasser drückt auf Schaufeln, die an einem endlosen
Transportband angebracht sind, das um zwei Umlenkrollen umläuft, und
die mechanische Energie, die das anströmende Flusswasser über
die Schaufeln auf das Transportband und dann die Umlenkrollen überträgt,
wird von einer der Umlenkrollen über eine Welle auf einen Stromgenerator übertragen
und dort in elektrischen Strom umgewandelt. Die rücklaufenden
Schaufeln klappen an das Transportband an, um dem Flusswasser möglichst
wenig Widerstand zu bieten.
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Aus
Patent Abstracts of Japan
560 77 564 A ist eine ähnliche Vorrichtung mit
um Kettenräder umlaufenden Ketten statt eines Transportbandes
bekannt.
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Da
bei den beiden oben genannten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik
die Schaufeln zur Außenseite des Transportbandes bzw. der
Ketten klappen, wenn sie die Umlenkrollen bzw. Kettenräder passieren,
nimmt die Vorrichtung viel Platz im Strömungsquerschnitt
des Fluids in Anspruch. Außerdem gibt es an den Rändern
der Schaufeln viel freien Raum, in dem das Fluid an den Schaufeln
vorbeiströmen kann, statt diese anzutreiben, auch wenn
dieser freie Raum in einem gewissen Abstand z. B. durch den Flussgrund
begrenzt wird, wie in der zuerst genannten Druckschrift gezeigt,
da dieser Abstand aus konstruktiven Gründen nicht beliebig
klein gemacht werden kann. Dies verschlechtert den Wirkungsgrad der
Vorrichtungen. Außerdem klappen die Schaufeln bei der Umkehr
der Bewegungsrichtung schlagartig um, was hohe Anforderungen an
die Haltbarkeit der Lager und Widerlager der Schaufeln stellt.
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Die
DE 101 62 516 A1 betrifft
eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem strömenden Fluid,
deren Schaufeln mit Ketten in Eingriff stehen und bei Umkehr der
Bewegungsrichtung sanft, aber auf eine sehr komplizierte Weise gewendet
werden. Diese Vorrichtung wird quer zur Strömungsrichtung des
Fluids angeordnet und nutzt die Strömungsenergie ebenfalls
nur teilweise aus, da es zwischen den Schaufeln große Lücken
gibt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energiegewinnung
aus einem strömenden Fluid bereitzustellen, die die einem
gegebenen Strömungsquerschnitt innewohnende Strömungsenergie
möglichst gut ausnutzt, die kompakt aufgebaut ist und deren
Schaufeln im Betrieb sanft umklappen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Schaufeln in Richtung auf das Innere des mindestens einen endlosen
Förderelements frei schwenkbar gelagert sind und dass mindestens
ein langgestrecktes Schaufelführungsglied vorgesehen ist,
das sich von einer der beiden Umlenkeinrichtungen parallel zu und
zwischen den beiden Trums bis zu der anderen Umlenkeinrichtung erstreckt,
wobei der Abstand des Schaufelführungsglieds von dem ersten
Trum kleiner als die Länge der Schaufeln und größer
als ungefähr die halbe Länge der Schaufeln ist,
so dass das Schaufelführungsglied einen Anschlag für
die momentan an dem ersten Trum befindlichen Schaufeln bildet.
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Die
nach innen schwenkbaren Schaufeln und das Schaufelführungsglied
wirken wie folgt zusammen.
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Erstens
gleitet oder rollt eine Schaufel, die von dem zweiten Trum um die
in Strömungsrichtung vordere Umlenkeinrichtung herum zum
ersten Trum geleitet wird, auf dem in Strömungsrichtung
liegenden Ende des Schaufelführungsglieds ab, wobei sie im
Zusammenwirken mit der Fluidströmung sanft aus der zum
zweiten Trum parallelen Stellung um mehr als 90 Grad in eine Stellung
schwenkt, in der sie sich schräg zur Strömungsrichtung
zwischen dem ersten Trum und dem Schaufelführungsglied
erstreckt.
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Zweitens,
in dieser schrägen Stellung versperrt die Schaufel den
zwischen dem ersten Trum und dem Schaufelführungsglied
vorhandenen Strömungsweg praktisch vollständig
und wird durch den Fluiddruck stabil in ihrer Schrägstellung
gehalten, während sie vom Fluid in Richtung auf die in
Strömungsrichtung hintere Umlenkeinrichtung geschoben wird
und dabei die Fördereinrichtungen und Umlenkeinrichtungen
antreibt.
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Drittens,
sobald die Schaufel am Ende ihrer Antriebsstrecke entlang des ersten
Trums den Kontakt mit dem Schaufelführungsglied verliert,
ist sie wieder frei drehbar und wird durch die Strömung
in die Strömungsrichtung geschwenkt. Anschließend wird
sie um die in Strömungsrichtung hintere Umlenkeinrichtung
herum und mit dem zweiten Trum wieder zur in Strömungsrichtung
vorderen Umlenkeinrichtung befördert.
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Die
auf der Antriebsstrecke erzeugte Antriebskraft wird teilweise zum
Zurückbefördern und Wenden der Schaufeln verbraucht
und kann im Übrigen an einer der Umlenkeinrichtungen abgenommen und
z. B. einem Stromgenerator zugeführt werden.
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Vorzugsweise
ist jedes endlose Förderelement eine Kette und weisen die
Umlenkeinrichtungen jeweils eine entsprechende Anzahl von koaxialen Kettenrädern
auf. Zum Beispiel hat man zwei Kettenradsätze als Umlenkeinrichtungen
und zwei um die Kettenräder umlaufende Ketten, zwischen
denen die Schaufeln in regelmäßigen Abständen
angebracht sind. Unter Umständen genügt aber auch
eine einzige Kette, an der die Schaufeln z. B. auf Stehbolzen gelagert
sind.
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Ketten
und Kettenräder haben den Vorteil, dass der zwischen dem
ersten Trum und dem Schaufelführungsglied vorhandene Strömungsweg
vom Fluid ungehindert angeströmt und verlassen werden kann
und dass es sie in Materialkombinationen gibt, die für
einen Betrieb in Wasser geeignet sind. Außerdem sind Ketten
gut dafür geeignet, die von Fluid angeströmten
Schaufeln in ihrer Lage zu halten.
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Um
die Reibungsverluste in der Vorrichtung zu minimieren, stellt man
das Schaufelführungsglied vorzugsweise aus einem Material
her, das eine geringen Gleitreibungskoeffizienten mit dem Material
der Schaufeln hat, oder man beschichtet mindestens den Bereich,
in dem das Schaufelführungsglied mit den Schaufeln Kontakt
hat, mit so einem Material. Alternativ oder zusätzlich
kann man das von ihrem Lager am endlosen Förderelement
entfernte Ende jeder Schaufel mit mindestens einer Rolle versehen,
die auf dem Schaufelführungsglied abrollt, während
sich die Schaufel den ersten Trum entlang bewegt.
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Je
geringer die Reibung zwischen den Schaufeln und dem Schaufelführungsglied
ist, desto stärker kann man die Schräglage der
Schaufeln zur Strömungsrichtung wählen, während
sich die Schaufeln zwischen dem ersten Trum und dem Schaufelführungsglied
bewegen, und desto größer wird der Wirkungsquerschnitt
der Vorrichtung bei gegebener Schaufelgröße.
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Wenn
man entlang des zweiten Trums gegenüber dem Schaufelführungsglied
eine äußere Schaufelführungsplatte anordnet,
die mindestens ungefähr die Länge des Schaufelführungsglieds
hat, können die Schaufeln auf ihrem Rückweg zur
in Strömungsrichtung vorderen Umlenkeinrichtung stabil geführt
werden, und wenn die Schaufeln ebene Platten sind, vorzugsweise
rechteckige ebene Platten, kann man die Lücke zwischen
dem Schaufelführungsglied und der äußeren
Schaufelführungsplatte sehr klein machen, womit der Energieaufwand
zum Zurückbefördern der Schaufeln sehr gering
wird.
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Der
Abstand zwischen den Stellen, an denen die Schaufeln am endlosen
Förderelement gelagert sind, darf höchstens so
groß sein wie die Länge des Schaufelführungsglieds,
damit stets mindestens eine Schaufel Antriebskraft liefert, und
außerdem ist die Länge der Schaufeln in Strömungsrichtung
vorzugsweise kleiner als der Abstand von Schaufellager zu Schaufellager,
damit sich die Schaufeln beim Rücktransport und Wenden
der Schaufeln nicht gegenseitig behindern.
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In
der bevorzugten Ausführungsform genügt ein einziges
Schaufelführungsglied. Die Schaufeln können breiter
sein als das Schaufelführungsglied, d. h. seitlich davon
vorstehen bzw. überhängen. Alternativ kann sich
ein Schaufelführungsglied über die ganze Breite
der Schaufeln erstrecken, wodurch sich eine Selbstabdichtung zwischen
Schaufeln und Schaufelführungsglied ergibt, die es erlaubt,
auch größere Druckdifferenzen im Fluid möglichst
verlustfrei auszunutzen. Auch können mehrere Schaufelführungsglieder über
die Schaufelbreite verteilt angeordnet sein.
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Wenn
man die Vorrichtung mit einer in Strömungsrichtung des
Fluids langgestreckten und an ihren Enden offenen Hülle
umschließt, welche die Strömung des Fluids im
Wesentlichen auf den Raum zwischen den beiden Trums konzentriert
und/oder einschränkt, hat man eine besonders kompakte Anordnung,
die ohne besondere wasserbauliche Maßnahmen auf dem Grund
eines Fließgewässers verankert werden kann. Außerdem
ist es möglich, die Vorrichtung nicht nur in der Strömungsrichtung
eines Fließgewässers anzuordnen, etwa waagerecht
auf einem Flussgrund oder senkrecht an einem Überlaufwehr, sondern
in beliebiger Lage zwischen zwei unter Wasser liegenden Stellen,
zwischen denen ein Druckun terschied besteht. So kann die Vorrichtung
z. B. waagerecht oder schräg durch ein Wehr oder eine Staumauer
hindurchgehen und nicht nur die kinetische Energie des durch den
Querschnitt der Hülle strömenden Wassers ausnutzen,
sondern auch dessen potentielle Energie, welche die kinetische Energie um
ein Vielfaches übersteigen kann.
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Normalerweise
wird man die Vorrichtung zur Stromerzeugung nutzen, indem man mindestens eine
der Umlenkeinrichtungen über eine Welle und ggf. ein Getriebe
mit einem Stromgenerator koppelt. Statt die mechanische Energie
in elektrische Energie umzuwandeln, kann man die mit der Vorrichtung
erzeugte Drehkraft aber auch direkt nutzen, etwa zum automatischen
Antrieb des Hebens oder Senkens eines Wehres in Abhängigkeit
von der Fließgeschwindigkeit und/oder Fließrichtung
und/oder Stauhöhe eines Fließgewässers.
Zum Beispiel bei einem Wehr, das in einem Deich eingebaut ist, durch
den sich ein Fließgewässer ins Meer ergießt,
könnte das Wehr über ein Getriebe selbsttätig
geschlossen werden, sobald das Wasser bei Flut seine Strömungsrichtung umkehrt
und ins Landesinnere zu fließen beginnt.
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Die
Größe der Vorrichtung ist prinzipiell unbeschränkt,
sowohl nach oben als auch nach unten, und richtet sich allein nach
den örtlichen Gegebenheiten. Außerdem kann man
eine Vielzahl solcher Vorrichtungen parallel oder hintereinander
anordnen.
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Wie
sich aus dem Obigen ergibt, ist die Vorrichtung vorzugsweise in
Wasser einsetzbar. Prinzipiell ist sie aber auch für andere
Fluide einschließlich strömenden Gasen geeignet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Deren einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Energiegewinnung
aus strömendem Wasser mit nach innen schwenkbaren Schaufeln
und einem Schaufelführungsglied, und zwar oben in einer Schnittansicht
von der Seite und unten in einer damit fluchtenden Draufsicht durch
die Gehäuseoberseite hindurch.
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Die
Vorrichtung hat ein Gehäuse 2 in Form eines langgestreckten
Kastens mit rechteckigem Querschnitt und offenen Enden, der in einem
Fließgewässer angeordnet wird, dessen allgemeine
Strömungsrichtung mit einem Pfeil innerhalb des Gehäuses 2 eingezeichnet
ist.
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Nahe
am in Strömungsrichtung vorderen Ende des Gehäuses 2 erstreckt
sich eine Welle 4 durch das Gehäuse 2,
die in Lagern 6, 8 drehbar gelagert ist, die außen
am Gehäuse 2 befestigt sind. Innerhalb des Gehäuses 2 trägt
die Welle 4 zwei Kettenräder 10, 12,
die jeweils nahe an der Gehäusewand liegen. Nahe am in
Strömungsrichtung hinteren Ende des Gehäuses 2 erstreckt
sich eine Welle 4' durch das Gehäuse 2,
die in Lagern 6', 8' drehbar gelagert ist, die
außen am Gehäuse 2 befestigt sind. Innerhalb
des Gehäuses 2 trägt die Welle 4' zwei
Kettenräder 10', 12', die jeweils nahe
an der Gehäusewand liegen.
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Um
die beiden in einer Ebene liegenden Kettenräder 10, 10' herum
verläuft eine straff gespannte endlose Kette 14,
z. B. eine Rollen- oder Zahnkette, die mit den Kettenrädern 10, 10' in
Eingriff steht. Um die beiden anderen in einer Ebene liegenden Kettenräder 12, 12' herum
verläuft eine weitere endlose Kette 16, die mit
den Kettenrädern 12, 12' in Eingriff steht.
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Die
Welle 4, die Lager 6, 8 und die Kettenräder 10, 12 bilden
eine in Strömungsrichtung vordere Umlenkeinrichtung, und
die Welle 4', die Lager 6', 8' und die
Kettenräder 10', 12' bilden eine in Strömungsrichtung
hintere Umlenkeinrichtung.
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Die
Welle 4 der in Strömungsrichtung vorderen Umlenkeinrichtung
trägt außerdem ein Zahnrad 18, das außerhalb
des Gehäuses 2 angeordnet ist und mit einem Ritzel 18' eines
nicht gezeigten Stromgenerators kämmt.
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Die
Ketten 14 und 16 bilden endlose Förderelemente
für eine Vielzahl von Schaufeln 20 in Form von
identischen ebenen rechteckigen Platten, die jeweils in zwei Ecken
frei drehbar in regelmäßigen Abständen
voneinander zwischen den Ketten 14, 16 gelagert
sind, und zwar an Stehbolzen, die jeweils von den Ketten 14, 16 vorstehen,
oder an Stangen, die die Ketten 14, 16 miteinander
verbinden. Die Schaufeln 20 haben eine Breite zwischen
den Ketten 14 und 16, die ein wenig kleiner ist
als der freie Raum zwischen den Ketten 14 und 16,
und eine Länge, die etwas kleiner ist als der Abstand zwischen
zwei an den Ketten 14, 16 aufeinanderfolgenden
Schaufeln 20.
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Unmittelbar über
den in der Figur unteren Trums der beiden Ketten 14 und 16 erstreckt
sich ein Schaufelführungsglied 22 in Form einer
ebenen rechteckigen Platte mit abgeschrägter und abgerundeter
Vorderkante zwischen den beiden Ketten 14 und 16.
Das Schaufelführungsglied 22 hat in diesem Ausführungsbeispiel
eine Breite B, die wesentlich kleiner ist als die Breite der Schaufeln 20,
es kann aber auch ebenso breit wie die Schaufeln 20 sein,
in welchem Fall sich eine Selbstabdichtung zwischen Schaufel 20 und
Schaufelführungsglied 22 ergäbe. Das
Schaufelführungsglied 22 erstreckt sich der Länge
nach von einem Punkt ungefähr auf der Höhe der Welle 4 der
in Strömungsrichtung vorderen Umlenkeinrichtung bis zu
einem Punkt ungefähr auf der Höhe des in Strömungsrichtung
vorderen Randes des Kettenrades 12. Das Schaufelführungsglied 22 hat
eine gewisse Dicke D, und die Schaufeln 20 sind so lang,
dass die Summe von Schaufellänge und Dicke D des Schaufelführungsglieds 22 größer
als der Abstand zwischen den beiden Trums der Ketten 14, 16 ist,
welcher im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der Kettenräder 10, 12 ist.
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Unmittelbar
unter den in der Figur unteren Trums der beiden Ketten 14 und 16 erstreckt
sich eine äußere Schaufelführungsplatte 24 in
Form einer ebenen rechteckigen Platte, die ebenso breit wie das Schaufelführungsglied 22 ist, über
die ganze Länge des Gehäuses 2.
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Das
Schaufelführungsglied 22 und die äußere
Schaufelführungsplatte 24 bestehen z. B. aus Teflon® oder sind damit beschichtet, insbesondere
an den Stellen, an denen sie mit den Schaufeln 20 Kontakt
haben. Das Schaufelführungsglied 22 und die äußere
Schaufelführungsplatte 24 erstrecken sich parallel
zueinander in einem Abstand, der so groß ist, dass eine
Schaufel 20 mit Spiel hindurchpasst.
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Auf
die in Strömungsrichtung vorderste Schaufel 20 unter
den Schaufeln 20, die sich gerade an den in der Figur oberen
Trums der Ketten 14, 16 befinden, übt
das Wasser eine Kraft aus, die die Schaufel 20 in Strömungsrichtung
schiebt. Dabei wirkt das Schaufelführungsglied 22 als
Widerlager oder Anschlag für die Schaufeln 20,
die aufgrund ihrer Länge nicht am Schaufelführungsglied 22 vorbei klappen
können.
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Wird
die in der Figur in Strömungsrichtung vorderste Schaufel 20 in
Strömungsrichtung geschoben, werden die Kettenräder 10, 12 und 10', 12' über die
Ketten 14, 16, an denen die Schaufel 20 gelagert ist,
gedreht. Dabei wird die dieser Schaufel 20 nachfolgende
Schaufel 20 aus dem Spalt zwischen dem Schaufelführungsglied 22 und
der äußeren Schaufelführungsplatte 24 herausgezogen
und im Verlauf ihrer durch die Kettenräder 10, 12 und
das Schaufelführungsglied 22 geführten
Bewegung in dieselbe Stellung gebracht, in der sich vorher die zuerst
angetriebene Schaufel 20 befand.
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Eine
Schaufel 20, die die in der Figur oberen Trums der Ketten 14, 16 verlässt,
gleitet während ihrer durch die Kettenräder 10', 12' geführten
Bewegung von der Hinterkante des Schaufelführungsglieds 22 ab,
schwenkt frei ungefähr in die Strömungsrichtung,
wie eingezeichnet, und wird nachfolgend in den Spalt zwischen dem
Schaufelführungsglied 22 und der äußeren
Schaufelführungsplatte 24 gezogen und wieder nach
vorne befördert. Diese Vorgänge wiederholen sich
fortlaufend, solange die Strömung anhält bzw.
ein Druckunterschied zwischen der Vorderseite (Einlassseite) und
der Hinterseite (Auslassseite) der Vorrichtung besteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3346634
A1 [0002]
- - JP 56077564 A [0003]
- - DE 10162516 A1 [0005]