-
Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung aus dem Höhenunterschied von Gewässern resultierender potentieller Energie mit einem Schneckenkörper und einem von dem Schneckenkörper angetriebenen Generator.
-
Derartige Wasserkraftanlagen sind beispielsweise in der
DE 4139134 A1 beschrieben.
-
Bei Wasserkraftanlagen dieses Typs ist ein Schneckenkörper mit einer Rotorwelle verbunden. Die Rotorwelle überträgt eine Drehung des Schneckenkörpers auf ein Getriebe, welches wiederum einen Generator antreibt. Durch das Getriebe wird die niedrige Drehzahl des Schneckenkörpers in eine für den Generator geeignete, höhere Drehzahl umgewandelt. Derartige Getriebe sind bei der Verwendung in Wasserkraftanlagen aus mehreren Gründen nachteilig. So erfordert ein solches Getriebe eine regelmäßige Wartung und Überprüfung. Hinzu kommt, dass solche Anordnungen einen nicht unerheblichen Einbauraum erfordern und das Gewicht der gesamten Wasserkraftanlage negativ beeinflussen. Der Transport zu gegebenenfalls abgelegenen Einsatzorten ist entsprechend schwierig. Zudem treten in solchen Getrieben Leistungsverluste auf, welche den Gesamtwirkungsgrad der Anlage reduzieren.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, das Gewicht und die Komplexität einer Wasserkraftanlage mit einer Wasserkraftschnecke zu verringern und dennoch eine hohe Betriebssicherheit zu gewährleisten.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Wasserkraftanlage der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Generator im Bereich des Zentralrohres des Schneckenkörpers angeordnet und dort mit diesem gekoppelt ist.
-
Dabei befindet sich der Generator vorzugsweise entweder innerhalb des Zentralrohres des Schneckenkörpers oder ist um das Zentralrohr herum ausgebildet. Durch die Anordnung des Generators im Zentralrohr oder um das Zentralrohr herum ist eine sehr kurze Bauform der Wasserkraftanlage möglich. Auf eine platzraubende Ankopplung eines Getriebes und eines Generators an die Rotorwelle des Schneckenkörpers kann verzichtet werden. Stattdessen wird der sonst ungenutzte Raum innerhalb des Zentralrohres bzw. um dieses herum verwendet, um dort den Generator unterzubringen. Bei einer Anordnung des Generators innerhalb des Zentralrohres ist dieser gleichzeitig gut geschützt.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Generator als Synchrongenerator, insbesondere als Synchrongenerator in Torque-Bauweise ausgeführt.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Permanentmagnete des Generators über Dämpfungselemente mit dem Zentralrohr des Schneckenkörpers verbunden. Besonders günstig ist dabei, wenn die Permanentmagnete auf einem ringförmigen Träger angeordnet sind und dieser Ring über Dämpfungselemente mit dem Zentralrohr verbunden ist.
-
Bei einer Anordnung des Generators innerhalb des Zentralrohres ist das obere Lager des Schneckenkörpers vorzugsweise so ausgebildet, dass es am äußeren Rand des Zentralrohres angreift und dort einen Lagerkranz bildet. Innerhalb des Lagerkranzes kann dann eine Befestigung des Stators vorgesehen werden. Alternativ kann auf der von der Stirnseite des Zentralrohres abgewandten Seite des Generators eine Platte im Zentralrohr befestigt werden, die mit einer Rotorwelle verbunden ist. Die Rotorwelle wird bei einer derartigen Anordnung durch eine zentrale Ausnehmung des Stators nach außen geführt und dort gelagert.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage mit einem innen liegenden Generator,
-
2 ein Querschnitt durch den Generator von 1,
-
3 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des Generators von 1,
-
4 einen Längsschnitt durch den Generator von 1,
-
5 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines innen gelagerten Generators,
-
6 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines innen gelagerten Generators,
-
7 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles der Erfindung mit einem außen liegenden Generator und
-
8 eine Detaildarstellung des Generators von 8.
-
In den 1 bis 4 ist eine Wasserkraftanlage dargestellt, die im Bereich einer Staustufe mit einem Oberwasserspiegel 12 und einem Unterwasserspiegel 13 zum Einsatz kommt. Aufgrund des Höhenunterschieds zwischen dem Oberwasser- und Unterwasserspiegel hat das Wasser oberhalb der Staustufe eine höhere potentielle Energie als unterhalb der Staustufe.
-
Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 fließt das Wasser des Oberwasserspiegels 12 in einen den Schneckenkörper 1 ganz oder teilweise umschließenden Trog 2, wobei die einzelnen Schneckengänge mit Wasser gefüllt werden. Infolge der durch die Schwerkraft auf Schneckenflügel 3 wirkenden Kraft wird der Schneckenkörper 1 in Rotation versetzt und transportiert dadurch das Wasser zum Unterwasserspiegel 13 hin. Diese Rotationsenergie des Schneckenkörpers 1 wird vom Generator 14 in elektrische Energie umgewandelt. Dazu ist der Schneckenkörper 1 mit dem Rotor des Generators 14 gekoppelt.
-
Der Generator 14 ist innerhalb eines Zentralrohres 2 des Schneckenkörpers 1 angeordnet, und zwar im oberen Endbereich des Zentralrohres 2. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Synchrongenerator in Torque-Bauweise. Ein solcher Generator weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 16 auf, wie aus den Darstellungen der 2 bis 4 zu erkennen ist. Die Permanentmagnete 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar mit dem Zentralrohr 2 verbunden. In einer Abwandlung werden die Permanentmagnete 16 über ein Dämpfungselement beispielsweise aus Gummi mittelbar mit dem Zentralrohr 2 verbunden, um so eine Ruckdämpfung zu realisieren, was materialschonend ist. In einer abgewandelten, in den Figuren nicht dargestellten Ausführung der Erfindung sind die Permanentmagnete an der Innenwandung eines ringförmigen Trägers befestigt, der wiederum direkt oder über Dämpfungselemente mit dem Zentralrohr 2 verbunden ist. Der Träger und die Permanentmagnete bilden dadurch den Rotor des Generators. Ein Stator 17 ist innerhalb des Rotors angeordnet. Er trägt die Spulen, in denen die Permanentmagnete 16 bei Drehung des Zentralrohres 2 eine Spannung induzieren. Aufgrund der Anordnung der Permanentmagnete am sich drehenden Zentralrohr und dem innen liegenden Stator 17 handelt es sich um einen so genannten Außenläufer. Ein Trägerrohr 19 des Stators 17 ist bis zum stirnseitigen, oberen Ende des Zentralrohres 2 geführt und dort an einem Flansch 5 befestigt, der wiederum mit einer Bodenplatte 11 verbunden ist. Über das Trägerrohr 19 können die elektrischen Anschlüsse des Stators nach außen geführt werden. Der Flansch 5 trägt außerdem ein Lager 6 für das Zentralrohr 2.
-
In der 5 ist eine alternative Ausgestaltung eines innen liegenden Generators gezeigt. Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete am Zentralrohr befestigt, wobei auch hier eine direkte oder eine mittelbare Befestigung über Dämpfungselemente und/oder einen ringförmigen Träger möglich ist. Auf der der offenen Stirnseite gegenüberliegenden Seite des Generators 14 ist eine Platte 31 in dem Zentralrohr 2 befestigt. Im Zentrum der Platte 31 ist eine als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle 32 befestigt, die durch eine zentrale Ausnehmung des Stators 18 zur offenen Stirnseite hin geführt ist. Dort ist ein Lager 33 vorgesehen, durch das das Zentralrohr 2 somit drehbar befestigt ist. Eine Ausnehmung im Stator 18 ist problemlos möglich, da die zur Stromerzeugung erforderlichen Spulen ohnehin nur im äußeren Bereich des Stators angeordnet sind. Der Stator 18 ist durch ein Trägerrohr 34 gehalten, welches an einem Flansch 35 befestigt ist, der auch das Lager 33 für die Rotorwelle 32 trägt.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel von 6 ist ein Generator als Innenläufer ausgebildet. Wie beim Ausführungsbeispiel von 5 ist eine Platte 31 im Zentralrohr 2 zurückgesetzt montiert. Die Rotorwelle 32 des Zentralrohres erstreckt sich bis zum offenen Stirnende. Auf der Rotorwelle 32 sind Permanentmagnete 16 montiert, sodass die Rotorwelle 32 des Zentralrohres 2 auch den Rotor des Generators 14 bildet. Radial nach außen versetzt befindet sich ein Stator 18, der durch ein Trägerrohr 34 gehalten wird, welches sich von der offenen Stirnseite her in das Zentralrohr 2 erstreckt. An der inneren Umfangsfläche des Trägerrohres 34 befinden sich die Statorspulen 18. Stirnseitig ist der Stator von einem Flansch 35 gehalten, der auch das Lager 33 für die Rotorwelle 32 trägt.
-
Im Ausführungsbeispiel der 7 und 8 ist ein Generator 24 nicht innerhalb des Zentralrohres 2 angeordnet, sondern um das Zentralrohr 2 herum, sodass das Zentralrohr 2 einen innen liegenden Rotor des Generators bildet. Dazu sind auf dem Zentralrohr Permanentmagnete 36 montiert. Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel können die Permanentmagnete 34 entweder unmittelbar an dem Zentralrohr befestigt sein, sie können aber auch über Dämpfungselemente und/oder einen ringförmigen Träger mittelbar an dem Zentralrohr befestigt sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Zentralrohr 2 stirnseitig mit einer Platte 37 abgeschlossen, welche eine Rotorwelle trägt, die durch ein Lager 26 gehalten ist. Das Lager 26 ist an einem Flansch 25 befestigt, der auch als Halterung für den Generator 24 ausgebildet ist.
-
In allen gezeigten Ausführungsbeispielen liefert der Generator 14 beziehungsweise 24 eine Frequenz, die zumindest nicht in allen Betriebszuständen mit der Netzfrequenz übereinstimmt. Daher ist ein Frequenzumrichter 8 vorgesehen, der die vom Generator 14 beziehungsweise 24 erzeugte Wechselspannung auf die erforderliche Netzfrequenz, in Deutschland auf 50 Hz, bringt. Anschließend kann ein Transformator 9 vorgesehen werden, um die vom Generator 14 beziehungsweise 24 erzeugte Energie direkt in ein Mittel- oder Hochspannungsnetz 10 einspeisen zu können.
-
Die verwendeten Generatoren besitzen einen Vielpolrotor, der eine hohe Anzahl einzelner Permanentmagnete aufweist. Der Generator arbeitet selbsterregend, das bedeutet, die Permanentmagnete erzeugen ein Magnetfeld, sodass eine Fremderregung nicht erforderlich ist.
-
Die erfindungsgemäßen Wasserkraftanlagen sind besonders leicht und platzsparend. Auf ein wartungsintensives Getriebe kann verzichtet werden. Durch das relativ geringe Gewicht der dargestellten Wasserkraftanlagen ist der Einbau beispielsweise an oder in einer Staustufe besonders einfach. Eine Ausrichtung von Rotorwellen eines Generators und einer Schnecke ist nicht mehr erforderlich. Somit kann es nicht zu Verschleiß verursachenden, ungenauen Ausrichtungen kommen. Weiterhin ist es besonders einfach, solche Anlagen werkseitig vorzumontieren und am Einsatzort aufzustellen. Insbesondere können die Wasserkraftanlagen in Kompaktbauweise als werkseitig komplett fertig montierte Einheit ausgeliefert und aufgestellt werden. Zu dieser komplett fertig montierten Einheit können auch ein Absperrschieber oder ein Stellorgan wie auch ein Rechen gehören, was allerdings nicht zwingend erforderlich ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
