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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk mit wenigstens einem Energiegewinnungsmodul, das eine drehbare Turbine aufweist, die für einen Einsatz vollständig unter einer Wasseroberfläche eines fließenden oder Strömungen aufweisenden Gewässers vorgesehen ist, wobei die Turbine einen mit einer Energieaufbereitungs- oder -umformvorrichtung koppelbaren oder gekoppelten Turbinendrehzylinder und am Zylindermantel des Turbinendrehzylinders vorgesehene, parallel zur Turbinendrehachse verlaufende Schaufeln aufweist.
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Die Energiegewinnung unter Nutzung alternativer Energieformen wurde insbesondere in den letzten beiden Jahrzehnten immer relevanter. Dies basiert auf der Tatsache, dass fossile Energieträger nur noch in begrenzter Menge vorhanden sind und atomare Energiegewinnungskonzepte zumindest momentan keine ausreichende Sicherheit bieten. Als alternative Energiequelle ist unter anderem die Nutzung natürlich vorkommender Strömungsenergie in Flüssen oder Meeren sehr interessant. Diese Energie ist ganzjährig vorhanden und kann somit einen Beitrag zur Grundlastdeckung des Energiebedarfs von Industrie und Bevölkerung leisten. Hierzu gibt es eine ganze Reihe von Konzepten.
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Bei der klassischen Wasserkraftgewinnung war ein Aufstau eines Gewässers unter Verwendung einer Querverbauung notwendig. Eine solche Querverbauung führt jedoch dazu, dass die Durchgängigkeit der Fließgewässer und damit das Wanderverhalten einheimischer Fischarten gestört wird. Infolgedessen wurde die EU-Wasserrahmenrichtlinie so formuliert, dass nur noch minimale Eingriffe in das Gewässersystem zugelassen werden, das heißt Querverbauungen zum Aufstau von Fließgewässern quasi nicht mehr genehmigt werden.
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Es gibt daher Ansätze im Stand der Technik, die Strömungsenergie frei fließender Gewässer für die nachhaltige Stromerzeugung auch ohne Aufstau und ohne fest im Gewässer installierte bauliche Anlagen nutzbar zu machen. Hierbei kommen u. a. Strömungsturbinen zum Einsatz, die einerseits zur Meeresenergienutzung und andererseits als Flusswasserströmungsturbinen verwendet werden.
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Bei Flusswasser-Strömungskraftwerken ist eine direkte Installation im Fluss ohne bauliche Maßnahmen möglich. Es wird kein Staudamm benötigt, wodurch ökologisch nachteilige Auswirkungen auf die Umgebung vermieden werden können. Da Flusswasser-Strömungskraftwerke ohne Höhenunterschied arbeiten, können solche Anlagen jedoch lediglich die kinetische Energie des Wassers ausnutzen. Die Leistung einer Strömungsturbine wird daher durch die Strömungsgeschwindigkeit und die Wassertiefe, die den maximalen Rotordurchmesser der verwendeten Turbine begrenzt, festgelegt. Der typische Leistungsbereich bisher im Stand der Technik bekannter derartiger Anlagen liegt daher zwischen 10 und 500 kW.
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Die Leistung einer Strömungsturbine ist proportional zur dritten Potenz der Strömungsgeschwindigkeit und direkt proportional zum Durchflussquerschnitt des Gewässers. Eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit führt somit zu einem stark merklichen Absinken der Turbinenleistung. Bisherige Flusswasser-Strömungskraftwerke mussten daher hinsichtlich ihres Standortes so ausgewählt werden, dass an diesem eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit und eine große Wassertiefe vorhanden ist. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, die kleiner als 2 m/s sind, liegt bei bisherigen Flusswasser-Strömungskraftwerken die erzielbare Anlagenleistung im niedrigen kW-Bereich, sodass bislang erst ab einer Mindestfließgeschwindigkeit von ca. 2 m/s ein sinnvoller Anlageneinsatz möglich erschien. Betrachtet man dabei die typischen Strömungsgeschwindigkeiten von Rhein und Donau, welche bei mittlerem Wasserstand in einem Bereich von ca. 0,8 bis 1,6 m/s liegen, gewinnt man zunächst die Schlussfolgerung, dass insbesondere auch unter Berücksichtigung der unterschiedlichen möglichen Wasserstände bei diesen Flüssen die niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten nicht als optimal für eine Anwendung von Flusswasser-Strömungskraftwerken anzusehen sind.
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Meeres- oder Tideströmungen weisen teilweise höhere Fließgeschwindigkeiten als Flussströmungen auf. Darüber hinaus können durch die größere Wassertiefe im Meer größere Rotordurchmesser von Turbinen verwendet werden, sodass insgesamt eine größere Leistung zur Verfügung gestellt werden kann.
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Bei den verwendeten Turbinenkonzepten unterscheidet man zwischen Axial- und Querstromturbinen. Bei Axialturbinen sind die Achsen parallel zur Wasserströmung ausgerichtet und weisen typischerweise Propeller-Rotoren mit unterschiedlicher Blattzahl auf.
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Dagegen basiert die vorliegende Erfindung auf dem Querstromturbinenkonzept, welches zylindrische, rotierende Rotoren verwendet, die senkrecht von der Wasserströmung angetrieben werden. Querstromturbinen besitzen gegenüber Axialturbinen den Vorteil, dass ihre Breite größer als ihre Höhe ist, wodurch sie insbesondere in flachen Gewässern besser einsetzbar sind.
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Ferner unterscheidet man bei den verwendeten Turbinenkonzepten bezüglich der Art der Verankerung und der Platzierung der Anlage im Gewässer. Dabei haben fest im Boden verankerte Anlagen den Vorteil, dass sie nicht sichtbar sind. Allerdings sind die Strömungsgeschwindigkeiten in Bodennähe geringer.
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Weitere Unterschiede bei den bekannten Turbinenkonzepten ergeben sich aus deren technischen Daten, wie den verwendeten Rotordurchmessern, der Anzahl der Rotorblätter bzw. Schaufeln, der Leistung, dem Wirkungsgrad sowie den Anlauf- und Maximalgeschwindigkeiten der Anlagen.
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Trotz der Vielfalt der sich in Entwicklung befindlichen Turbinenkonzepte hat sich bisher noch kein Konzept herauskristallisieren können, welches eine hohe Effizienz besitzt und gleichzeitig einfach und damit kostengünstig und wartungsarm herstellbar ist. In der Literatur geht man daher davon aus, dass in Zukunft in Abhängigkeit von dem jeweiligen Einsatzgebiet unterschiedliche Systeme Anwendung finden werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wasserkraftwerk der oben genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, mit welchem die Strömungsenergie in Flüssen oder Meeren besonders effizient nutzbar ist, welches ökologisch als auch landschaftlich unbedenklich ist und auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Gewässers einsetzbar ist, darüber hinaus zu einem vernünftigen Preis zur Verfügung stellbar und leicht installierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Wasserkraftwerk der oben genannten Gattung gelöst, bei welchem die Turbine derart in dem Gewässer vorgesehen ist, dass sie quer zur Turbinendrehachse von dem Gewässer durch- und überströmbar ist, und die Schaufeln ein- und ausstellbar sind, wobei die Schaufeln in ausgestellter Stellung radial von dem Zylindermantel abstehen und bei Drehung des Turbinendrehzylinders kontinuierlich von der ausgestellten Stellung in die eingestellte Stellung derart wechseln, dass sie auf einer Seite des Turbinendrehzylinders in ausgestellter Stellung in Strömungsrichtung des Gewässers mit bewegt werden und auf der anderen Seite des Turbinendrehzylinders in eingestellter Stellung dem Gewässer keinen Widerstand entgegen setzen.
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Das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk besitzt den Vorteil, dass die Turbine vollständig unter Wasser angeordnet und somit nicht sichtbar ist, sodass das landschaftliche Bild nicht beeinträchtigt wird. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes besteht jedoch in der durch die variablen Schaufeln deutlich gegenüber bisherigen Lösungen verbesserten Effizienz. So können bei dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk die ausgestellten Schaufeln ungehindert mittels der Strömung des Gewässers bewegt werden, sodass hierdurch die Turbine angetrieben wird, während die Schaufeln in der Richtung, die der Strömungsrichtung des Gewässers entgegen ist, der Strömung des Gewässers keinen Widerstand entgegensetzen, da sie in dieser Richtung in ihrer eingestellten Stellung sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk kann, wie es nachfolgend noch näher erläutert ist, der Turbinendrehzylinder in einem festen Kanal in dem Gewässer vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, dass zur Vereinfachung des Aufbaus auf einen solchen festen Kanal verzichtet wird und der Turbinendrehzylinder kurz unter der Wasseroberfläche vorgesehen wird, sodass sich zwischen dem Turbinendrehzylinder und dem Gewässerboden ein Strömungskanal ausbildet, in welchem die Schaufeln mit der Strömung des Gewässers mit bewegt werden. Bei der letzteren Variante können der Zylinderdurchmesser des Turbinendrehzylinders und die Schaufellänge beispielsweise an einen mittleren Wasserpegel des Gewässers angepasst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes weist das Energiegewinnungsmodul einen festen Kanal auf, in dem die Turbine angeordnet ist, wobei der Kanal eine über der Turbine vorgesehene Kanaldecke und einen unter der Turbine vorgesehenen Kanalboden aufweist, der Kanal einen Kanaleingangsbereich in Strömungsrichtung des Gewässers vor der Turbine aufweist, in welchem sich der durchströmbare Innenquerschnitt des Kanals in Strömungsrichtung des Gewässers hin zu der Turbine verjüngt, der Kanal einen Kanalausgangsbereich in Strömungsrichtung des Gewässers nach der Turbine aufweist, in welchem sich der durchströmbare Innenquerschnitt des Kanals in Strömungsrichtung des Gewässers weg von der Turbine aufweitet, die Kanaldecke einen an die Form des Zylindermantels des Turbinendrehzylinders angepassten Kanaldeckenbereich gegenüber der Turbine aufweist, der Kanalboden einen Kanalbodenoberflächenbereich gegenüber der Turbine aufweist, dessen Abstand zu dem Zylindermantel des Turbinendrehzylinders an die radiale Erstreckung der ausgestellten Schaufeln angepasst ist, und die Schaufeln in eingestellter Stellung in einen Spalt zwischen dem Zylindermantel und dem Kanaldeckenbereich eingezogen werden und bei Verlassen dieses Spaltes wieder in die ausgestellte Stellung wechseln.
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Diese Ausführungsform besitzt einen besonders hohen Wirkungsgrad. Dieser wird hier dadurch erreicht, dass sich der Innenquerschnitt des Kanals, in dem die Turbine vorgesehen ist, in Strömungsrichtung des Gewässers hin zu der Turbine verjüngt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit hin zu der Turbine wächst. Das Wasser wird durch die geometrische Ausbildung des Kanals regelrecht in Richtung der Turbine angesaugt. Dadurch kommt es zu einem deutlichen Anstieg der Turbinenleistung im Vergleich zu herkömmlichen Turbinenantriebsvorrichtungen. Nach Durchlaufen der Turbine passt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers wieder an die normale Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers an, da sich der durchströmbare Innenquerschnitt des Kanals in Strömungsrichtung des Gewässers weg von der Turbine wieder aufweitet.
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Die erfindungsgemäß vorgesehenen ein- und ausstellbaren Schaufeln werden zudem derart ein- und ausgestellt, dass die Schaufeln nur in Strömungsrichtung des Gewässers wirksam sind und die in den Spalt eingezogenen, rückgeführten Schaufeln den Wirkungsgrad der Turbine nicht verringern. Damit wird die Strömung des Gewässers optimal ausgenutzt.
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Dabei gibt es für das Ein- und Ausstellen der Schaufeln unterschiedliche technische Möglichkeiten. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung sind die Schaufeln ein- und ausklappbar, sodass die Schaufeln in eingeklappter Stellung am Zylindermantel anliegen und in ausgeklappter Stellung radial von dem Zylindermantel abstehen.
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In einer anderen Variante der Erfindung sind die Schaufeln radial zur Turbinenachse in die Turbine einschiebbar und aus der Turbine ausschiebbar, wobei die Schaufeln in ausgeschobener Stellung radial von dem Zylindermantel abstehen.
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Eine besonders günstige Innengeometrie des Kanals ergibt sich dann, wenn der Kanaldeckenbereich und/oder der Kanalbodenoberflächenbereich konkav ausgebildet ist. Ein konkav ausgebildeter Kanaldeckenbereich ist optimal an die Form des Zylindermantels des Turbinendrehzylinders angepasst. Ein konkav ausgebildeter Kanalbodenoberflächenbereich ist optimal an die radiale Erstreckung der ausgestellten Schaufeln angepasst.
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Eine besonders einfache konstruktive Gestaltung bei gleichzeitig guter Ausnutzung der Strömung des Gewässers ergibt sich, wenn die Schaufeln blattförmig ausgebildet sind.
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Eine erhöhte Strömungsaufnahmekapazität ist erreichbar, wenn gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Schaufeln eine der Strömung des Gewässers entgegen gerichtet ausgebildete konkave Form aufweisen.
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Grundsätzlich ist es nach einer anderen Variante der vorliegenden Erfindung auch möglich, dass die Form der Schaufeln an die Strömungsrichtung und/oder die Strömungsintensität des Gewässers anpassbar ist.
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Insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäß eingesetzte Turbine klappbare Schaufeln aufweist, ist es besonders günstig, wenn die Schaufeln gleichmäßig beabstandet am Zylindermantel des Turbinendrehzylinders vorgesehen sind, wobei die Länge der Schaufeln etwa der Länge des Umfangssegmentes zwischen den Schaufelbefestigungen am Turbinendrehzylinder entspricht. Auf diese Weise können die Schaufeln beim Einklappen einfach an den Turbinenumfang angelegt werden.
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Die Schaufeln können formschlüssig und/oder kraftschlüssig an dem Zylindermantel des Turbinendrehzylinders befestigt sein.
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Vorzugsweise bestehen die Schaufeln aus möglichst langzeitstabilen Materialien, wie Stahl, Edelstahl, Kunststoff und/oder faserverstärktem Kunststoff.
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Außerdem ist es günstig, auch den Kanal aus einem möglichst langzeitstabilen Werkstoff, wie Stahl, Edelstahl, Kunststoff und/oder faserverstärktem Kunststoff, auszubilden.
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Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsvorm der vorliegenden Erfindung sind an dem Kanalboden Abstandshalter vorgesehen, die einen Abstand des Energiegewinnungsmoduls zu einem Gewässerboden des Gewässers unter Ausbildung eines Unterströmungskanals unter dem in dem Gewässer vorgesehenen Energiegewinnungsmodul herstellen. Beispielsweise können derartige Abstandshalter in Form von Kufen ausgebildet sein. Mittels der Abstandshalter bildet sich unter dem Energiegewinnungsmodul ein Unterströmungskanal, in dem Wasser fließen kann und Treibgut bzw. Geschiebe, wie Steine oder Sedimente, durch den Unterströmungskanal mitgenommen werden. Durch die Abstandshalter wird ein geeigneter Abstand zwischen dem Energiegewinnungsmodul und dem Boden oder Bett des Gewässers hergestellt, welcher verhindert, dass der zu der Turbine hin und von der Turbine weg führende Kanal verlandet.
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Da der zur Turbine hin führende Kanal eine Sogwirkung auf das Gewässer ausübt, die unter Umständen auch zum Ansaugen von im Gewässer lebenden Tieren oder vom Gewässer mitgeführten festen Stoffen führen kann, ist es besonders empfehlenswert, wenn in Strömungsrichtung des Gewässers vor dem Kanaleingangsbereich eine Siebeinrichtung vorgesehen ist.
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Entsprechend einem geeigneten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dabei eine Siebreinigungsvorrichtung vorgesehen, mit welcher die Siebeinrichtung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers in einem von dem Energiegewinnungsmodul entfernten Gewässerbereich und der Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers in dem Kanaleingangsbereich bewegbar und/oder spülbar ist. Auf diese Weise kann eine selbstreinigende Siebeinrichtung zur Verfügung gestellt werden, bei welcher es lediglich erforderlich ist, die Strömungsgeschwindigkeit am Kanaleingang und im Gewässer in geeigneten zeitlichen Abständen zu messen. Ist die Differenz zwischen den Strömungsgeschwindigkeiten zu groß, kann das Sieb angehoben oder geschwenkt werden, sodass beispielsweise Treibgut von der Siebeinrichtung abgespült werden kann.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes ist an dem Kanalboden eine Verankerungseinrichtung für das Energiegewinnungsmodul im Gewässerboden und/oder am Gewässerrand vorgesehen. Das Energiegewinnungsmodul beinhaltet erfindungsgemäß sowohl die Turbine als auch den Kanal, welche vorzugsweise eine bauliche Einheit bilden. Indem diese Elemente des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes mittels der Verankerungseinrichtung an einer Position fixiert werden, kann sichergestellt werden, dass das Energiegewinnungsmodul auch bei stärkeren Strömungen, wie bei Hochwasser, nicht weggetrieben wird.
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Gemäß einer weiteren Option des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes ist es vorgesehen, dass das Energiegewinnungsmodul in dem Gewässer zur Änderung der Stelle oder der Richtung der Energiegewinnung oder für Wartungszwecke schwimm- oder verfahrbar ist.
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Besonders hohe Effizienzen lassen sich erfindungsgemäß dann erreichen, wenn entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung das Wasserkraftwerk eine Mehrzahl von nacheinander in Strömungsrichtung des Gewässers angeordneten und energetisch verknüpften Energiegewinnungsmodulen aufweist.
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Sinnvoll ist es auch, entweder das Energiegewinnungsmodul selbst möglichst breit zu gestalten, sodass es beispielsweise an eine Breite eines fließenden Gewässers angepasst ist, oder mehrere Energiegewinnungsmodule über die Breite eines fließenden Gewässers nebeneinander vorzusehen, um die Strömung des Gewässers optimal ausnutzen zu können. Eine Anordnung mehrerer Energiegewinnungsmodule nebeneinander besitzt dabei den Vorteil, dass beispielsweise bei sich wetterbedingt ändernder Gewässerbreite ein oder mehrere Energiegewinnungsmodule abgekoppelt oder zwischenzeitlich abgeschaltet werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes ist es vorgesehen, dass das Wasserkraftwerk eine Steuerung und/oder Regelung zur Kompensation einer schwankenden Turbinendrehzahl aufweist. Die vorgesehene Steuerungs- und/oder Regelungstechnik kann zur Kompensation der zu erwartenden jahreszeitlich schwankenden Turbinendrehzahl und der qualitativen Energieaufbereitung und Überwachung eingesetzt werden. Zudem ist es hierdurch möglich, unter Nutzung der Steuerungs- und Regelungstechnik in Echtzeit und online ein Diagnose- und Monitoringsystem für das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk zur Verfügung zu stellen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
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1 schematisch das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes darstellt;
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2 schematisch das Funktionsprinzip eines in dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk verwendbaren Energiegewinnungsmoduls mit einer in einem Kanal vorgesehenen Turbine veranschaulicht;
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3 schematisch auf Grundlage der Anordnung von 2 den Strömungsverlauf innerhalb des Energiegewinnungsmodules zeigt;
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4 schematisch eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes mit mehreren, nebeneinander und nacheinander in einem Fluss angeordneten Energiegewinnungsmodulen in einer perspektivischen Ansicht zeigt; und
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5 schematisch die Anordnung aus 4 in einer Seitenansicht zeigt.
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1 zeigt schematisch das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes 1. Das Wasserkraftwerk 1 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb eines Gewässers 2 vorgesehen. Das Gewässer 2 ist in der gezeigten Abbildung ein Fluss. In anderen, nicht gezeigten Anwendungsvarianten des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes 1 kann das Gewässer 2 auch ein Meer mit entsprechenden Meeresströmungen sein. Das Gewässer 2 besitzt einen Gewässerboden 21 und weist eine Wasseroberfläche 22 auf. Der Gewässerpegel 23 ist derart hoch, dass ein Energiegewinnungsmodul 3 des Wasserkraftwerkes 1 unterhalb der Wasseroberfläche 22 liegt.
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Das Energiegewinnungsmodul 3 weist einen Kanal 4 mit einer darin vorgesehenen Turbine 5 auf. Die Turbine 5 ist dabei quer zu einer Strömungsrichtung A des Gewässers 2 vorgesehen. Die Turbine 5 weist einen Turbinendrehzylinder 51 mit am Zylindermantel 52 des Turbinendrehzylinders 51 vorgesehenen, parallel zur Turbinendrehachse 54 verlaufenden Schaufeln 53 auf.
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Die Schaufeln 53 sind ein- und ausstellbar. In eingestellter Stellung sind die Schaufeln 53 beispielsweise in den Turbinendrehzylinder 51 eingeschoben oder an den Zylindermantel 52 geklappt. In dieser eingestellten Stellung setzen die Schaufeln 53 dem Gewässer 2 im Wesentlichen keinen Widerstand entgegen.
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In ausgestellter Stellung stehen die Schaufeln 53, wie in 1 dargestellt, radial von dem Zylindermantel 52 ab. In dieser ausgestellten Stellung können die Schaufeln 53 beispielsweise aus dem Turbinendrehzylinder 51 herausgeschoben sein oder von dem Zylindermantel 52 ausgeklappt sein.
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Der Einfachheit halber sind die Schaufeln 53 in der Darstellung von 1 rund um den Turbinendrehzylinder 51 als ausgestellt dargestellt. Wie es jedoch im Folgenden erläutert wird, ist erfindungsgemäß der Kanal 4 des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes 1 derart ausgebildet, dass ein Teil der Schaufeln 53 eingestellt und ein anderer Teil der Schaufeln 53 ausgestellt ist. Dies wird anhand der 2 und 3 im Folgenden deutlich.
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Der Kanal 4 weist eine solche Geometrie auf, dass sich der durchströmbare Innenquerschnitt des Kanals 4 in Strömungsrichtung A des Gewässers 2 in einem Kanaleingangsbereich 41 zu der Turbine 5 hin verjüngt. In einem nach der Turbine 5 vorgesehenen Kanalausgangsbereich 42 weitet sich der durchströmbare Innenquerschnitt des Kanals 4 in Strömungsrichtung A des Gewässers 2 weg von der Turbine 5 auf. Dadurch entsteht ein Sog, durch welchen sich die Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers 2 hin zu der Turbine 5 vergrößert. Dadurch erhöht sich die Leistung der Turbine 5, und das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk 1 weist hierdurch eine hohe Effizienz auf.
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Wie es in 1 schematisch zu sehen ist, steht das Energiegewinnungsmodul 3 mit dem Kanal 4 und der Turbine 5 nicht direkt auf dem Gewässerboden 21 des Gewässers 2 auf. Vielmehr ist zwischen dem Energiegewinnungsmodul 3 und dem Gewässerboden 21 ein Abstand vorgesehen, der die Ausbildung eines Unterströmungskanals 24 unterhalb des Energiegewinnungsmodules 3 ermöglicht. Der Abstand wird beispielsweise mittels an dem Kanalboden 45 vorgesehenen Abstandshaltern 7, wie in den 4 und 5 gezeigt, realisiert. Innerhalb dieses Unterströmungskanals 24 können von dem Gewässer 2 mitgeführte feste Stoffe oder durch die Strömung des Gewässers 2 aufgewirbelte Sedimente an dem Energiegewinnungsmodul 3 vorbeigeführt werden.
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Ferner ist erfindungsgemäß oberhalb des Energiegewinnungsmodules 3 ein Überströmungskanal 25 in dem Gewässer 2 vorgesehen. In diesem Bereich weist der Fluss typischerweise eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als im Bereich des Unterströmungskanals 24 auf. So können in dem Überströmungskanal 25 beispielsweise Fische vorteilhaft an dem Energiegewinnungsmodul 3 vorbeigeleitet werden.
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2 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform des in dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk 1 verwendeten Energiegewinnungsmoduls 3.
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Das Energiegewinnungsmodul 3 weist, wie oben bereits beschrieben, eine Turbine 5 mit einem Turbinendrehzylinder 51 auf, wobei am Zylindermantel 52 des Turbinendrehzylinders 51 parallel zur Turbinendrehachse 54 verlaufende Schaufeln 53 vorgesehen sind. Die Schaufeln 53 weisen in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine der Strömungsrichtung A des Gewässers 2 entgegen gerichtet ausgebildete konkave Form auf. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung können die Schaufeln 53 auch einfach blattförmig ausgebildet sein. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Form der Schaufeln 53 an die Strömungsrichtung A und/oder die Strömungsintensität des Gewässers 2 anpassbar gestaltet ist.
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In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schaufeln 53 mittels scharnierartig ausgebildeten Schaufelbefestigungen 56 an dem Zylindermantel 52 des Turbinendrehzylinders 51 befestigt. Dadurch sind die Schaufeln 53 in der Lage, geeignet ein- und ausgeklappt zu werden. Wie es in 2 veranschaulicht ist, führt die Strömung des Gewässers 2 dazu, dass die Schaufeln 53 in einem Bereich zwischen dem Turbinendrehzylinder 51 und einem Kanalbodenoberflächenbereich 48 des Kanalbodens 45 ausgeklappt sind. In dieser ausgeklappten Stellung stehen die Schaufeln 53 radial von dem Zylindermantel 52 ab. Da die Schaufeln 53 in diesem Bereich ausgeklappt sind, werden die Schaufeln 53 durch die Strömung des Gewässers 2 in Strömungsrichtung A bewegt und hierdurch die Turbine 5 gedreht. Haben die Schaufeln 53 den Bereich zwischen dem Turbinendrehzylinder 51 und dem Kanalbodenoberflächenbereich 48 durchlaufen, gehen sie durch die Drehung der Turbine 5 in einen Bereich über, in welchem zwischen dem Turbinendrehzylinder 51 und einem Kanaldeckenbereich 46 der Kanaldecke 44 nur noch ein relativ geringer Spalt 47 vorhanden ist. Durch diesen Spalt 47 werden die Schaufeln 53 in eine eingeklappte Stellung gezwungen, wie es aus 2 ersichtlich ist. In dieser eingeklappten Stellung liegen die Schaufeln 53 am Zylindermantel 52 des Turbinendrehzylinders 51 an und setzen somit der Strömung des Gewässers 2 keinen Widerstand entgegen.
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In der Ausführungsform von 2 sind die Schaufelbefestigungen 56 voneinander so weit entfernt, dass die Länge eines Umfangssegmentes 55 zwischen den Schaufelbefestigungen 56 etwa der Länge der Schaufeln 53 entspricht. Damit können sich die Schaufeln 53 besonders gut an den Zylindermantel 52 des Turbinendrehzylinders 51 innerhalb des Spaltes 47 anlegen, ohne einander zu überlappen.
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Der Kanal 4 ist in der in 2 dargestellten Ausführungsform derart ausgebildet, dass der Kanaldeckenbereich 46 als auch der Kanalbodenoberflächenbereich 48 in Richtung des Turbinendrehzylinders 51 konkav ausgebildet sind. Dabei ist die Form des Kanaldeckenbereiches 46 optimal an die Form des Turbinendrehzylinders 51 und den zwischen dem Turbinendrehzylinder 51 und dem Kanaldeckenbereich 46 vorgesehenen Spalt 47 angepasst. Die konkave Ausgestaltung des Kanalbodenoberflächenbereiches 48 ist optimal an die Ausdehnung der Schaufeln 53 in deren ausgeklappter Stellung angepasst.
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Ferner ist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel vor dem Kanaleingangsbereich 41 des Kanals 4 eine Siebvorrichtung 8 vorgesehen. Die Siebvorrichtung 8 ist in 2 rein schematisch dargestellt und kann in jeglicher geeigneter Größe und Form ausgebildet sein. Obwohl es in 2 nicht separat dargestellt ist, empfiehlt es sich, im Zusammenhang mit der Siebeinrichtung 8 auch eine Siebreinigungsvorrichtung vorzusehen. Dabei ist es besonders günstig, wenn die Siebreinigungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Siebeinrichtung 8 in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers 2 in einem von dem Energiegewinnungsmodul 3 entfernten Gewässerbereich und der Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers 2 in dem Kanaleingangsbereich 41 bewegbar und/oder spülbar ist. Somit kann eine selbstreinigende Siebeinrichtung 8 zur Verfügung gestellt werden.
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3 zeigt schematisch das Energiegewinnungsmodul aus 2 mit zusätzlich dargestellten Pfeilen, die die Strömungsrichtungen A‘, A‘‘ im Kanaleingangsbereich 41 und im Kanalausgangsbereich 42 symbolisieren. Man sieht deutlich, dass sich mit der Verengung des Innenquerschnittes des Kanals 4 im Kanaleingangsbereich 41 die Strömungslinien hin zur Turbine 5 verdichten und sich im Kanalausgangsbereich 42 die Strömungslinien weg von der Turbine 5 wieder aufweiten. Die Verdichtung der Strömung hin zur Turbine 5 führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Turbine 5 und damit zu einer besonders hohen Effizienz des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes 1.
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4 zeigt schematisch eine Anordnung von mehreren, nebeneinander und nacheinander angeordneten Energiegewinnungsmodulen 3, die in einem Fluss vorgesehen sind. Die Energiegewinnungsmodule 3 sind dabei mit einer außerhalb des Flusses, beispielsweise am Gewässerrand 26, vorgesehenen Energieaufbereitungs- oder -umformvorrichtung 6 gekoppelt. Die Energiegewinnungsmodule 3 stehen auf Abstandshaltern 7 auf dem Gewässerboden 21 auf. In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abstandshalter 7 in Form von Kufen ausgebildet. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können auch andere Formen von Abstandshaltern verwendet werden.
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Vorzugsweise sind die Energiegewinnungsmodule 3 innerhalb des Gewässers 2 zur Änderung der Stelle oder der Richtung der Energiegewinnung oder für Wartungszwecke schwimm- oder verfahrbar.
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5 zeigt schematisch die Anordnung der Energiegewinnungsmodule 3 aus 4 in einer Seitenansicht.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So gibt es noch eine Vielzahl von weiteren möglichen Ausbildungsvarianten, die dem Fachmann schnell ersichtlich sind. Mit allen gezeigten Ausführungsformen wird gezielt innerhalb des Kanals 4 ein Unterwasser-Strömungskanal zum Antrieb der Turbine 5 ausgebildet. Dabei ist die Turbine 5 mit variablen, ein- und ausstellbaren Schaufeln 53 ausgestattet. Anstelle der in den 2 und 3 dargestellten ein- und ausklappbaren Schaufeln 53 können auch andere variable Schaufeln 53, die beispielsweise in die Turbine 5 ein- und ausschiebbare Schaufeln 53, verwendet werden.
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Ein weiteres Kennzeichen des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes 1 ist die Implementierung der Turbine 5 in dem Kanal 4, in welchem der zur Energiegewinnung genutzte Strömungskanal des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes 1 ausgebildet wird. Die mittels der Turbine 5 gewonnene Rotationsenergie kann getriebelos in elektrische Energie bei maximal möglichem Wirkungsgrad umgewandelt werden.
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Auch wenn es in den Figuren nicht explizit dargestellt ist, empfiehlt es sich, bei dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk 1 eine Steuerungs- und Regelungstechnik zur Kompensation der zu erwartenden jahreszeitlich schwankenden Turbinendrehzahl und der qualitativen Energieaufbereitung und -überwachung vorzusehen. Auch ist es günstig, wenn bei dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk 1 ein Diagnose- und Monitoringsystem vorgesehen ist, welches vorzugsweise in Echtzeit und online arbeitet.
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Das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk 1 ist ohne Weiteres in ein bereits bestehendes Energienetz integrierbar.
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Außerdem ist es günstig, bei dem verwendeten Energiegewinnungsmodul 3 wenigstens eine Verankerungseinrichtung 9 vorzusehen, mit welcher das Energiegewinnungsmodul 3 beispielsweise im Gewässerboden 21 oder am Gewässerrand 26 verankert werden kann. Solche Verankerungsvorrichtungen 9 können beispielsweise, wie in den 4 und 5 zu sehen, an dem Kanalboden 45 des Energiegewinnungsmodules 3 vorgesehen sein.
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Wie es ferner aus den 4 und 5 hervorgeht, ist es günstig, mehrere Energiegewinnungsmodule 3 in einem Gewässer 2 vorzusehen und diese miteinander energetisch zu koppeln. Dabei ist es möglich, einzelne oder mehrere dieser Energiegewinnungsmodule 3 in Abhängigkeit von dem Wasserstand des Gewässers 2 abzukoppeln oder zwischenzeitlich auszuschalten.
