DE102012025481A1

DE102012025481A1 - Turbinenrad für flache Fließgewasser, "Bachturbine"

Info

Publication number: DE102012025481A1
Application number: DE201210025481
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2012-12-29
Publication date: 2014-07-03

Abstract

Die Erfindung betrifft Turbinenräder für Fließgewässer geringen Wasserstandes und hinreichender Strömungsgeschwindigkeit, deren Rotationsachse nahezu parallel zur Fließrichtung zeigt, versehen mit tragflügelartigen Blättern mit geeigneten Flügelprofilen unter bestimmtem mit wachsendem Abstand von der Nabe abnehmendem Anstellwinkel (Schränkung), und die nach Möglichkeit flexibel sind, im einfachsten Fall genügen gewölbte Bleche. Sie sind vorgesehen für teil eingetauchten Betrieb. Anzahl und Form der Blätter sind hierfür besonders gestaltet. Ihr einfacher Bau erlaubt je nach Gewässer die Anwendung mehrerer Turbinenräder zur Leistungsaddition (Batteriebildung). Die gewonnene Energie kann elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch weggeführt werden. Im Gewässer wird die Bachturbine eingestellt, eingehängt oder schwimmend gehalten. Bauliche Veränderungen im Gewässer oder an den Ufern sind nicht erforderlich. Geringer Bauaufwand (Größe und Masse) erlaubt mobilen und saisonalen Einsatz.

Description

Praktische Anwendung und Akzeptanz erneuerbarer Energien wie Solarthermie, Photovoltaik, Biomasse und Wind wachsen deutlich. Demgegenüber liegen noch Potentiale bei der Wasserkraft brach. Zwar werden Flüsse mit großem Gefälle und/oder Dargebot meist bereits genutzt, aber gegen die Reaktivierung der traditionellen Mühlen mit Wehren in kleinen Bachläufen gibt es begründete Widerstände wegen fehlender Durchlässigkeit für Fische und andere Fauna sowie Störung des Geschiebes. Die Leistung der historischen Mühlen zum Mahlen und Sägen war meist deutlich unter 100, oft weniger als 10 kW. Deshalb hält sich das Interesse rein kommerzieller Investoren hier in Grenzen, zumal auch die Wasserrechte für diese alten Mühlenstandorte oft erloschen sind. Wenn aber die politischen und ökologischen Bestrebungen für nachhaltige Energiegewinnung und CO₂-Einsparung usw. konsequent durchgesetzt werden sollen, müssen auch Wasserkraftanlagen kleiner Leistung Beachtung finden.
Der Stand der Technik ist bei kleinen Anlagen durch den Widerstandsläufer (Wasserräder, IPC-Klasse F03B7/00) gekennzeichnet. Sie umfasst mehr Anmeldungen als die der Turbinen in F03B3/04, die effektiver und moderner sind. Im Gegensatz zu den bekannten Wasserrädern, die die Schwerkraft des Wassers oder den Widerstand der Schaufeln gegen die Strömung nutzen, beruhen Turbinen auf der Anwendung der Auftriebskraft an tragflügelartigen Schaufeln (= Blätter = Flügel), was einen höheren Wirkungsgrad bewirkt. Es wurden 50 Schriften dieser IPC-Felder in der Depatis-Einsteigerrecherche geprüft und als nicht entgegenstehend bewertet. In DE 10 2008 037 896 A1 und FAZ ”Technik & Motor” v. 10. 10. 2010 sowie in http://www.ksb.com/ksb-de./Produkte_Leistungen/Wassertechnik/Wasserkraft/40730/Kleinwasserkratt.html ist eine Flussturbine im Probebetrieb beschrieben. Sie ist voll eingetaucht, ummantelt, enthält eine vergitterte Einlaufdüse, einen zweiflügeligen Rotor mit getauchtem Nabengenerator sowie einen Diffusor am Ende. Turbinen dieser Art sind nur in genügend tiefen Strömen ohne Schifffahrt anwendbar und mit ihrem Leistungsbereich (6 kW) und Bauaufwand mit der vorliegenden Erfindung nicht zu vergleichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wasserkraftmaschine für Fließgewässer (= Bäche = Flüsse = Wasserfälle) mit niedrigem Wasserstand und zureichender Strömungsgeschwindigkeit darzustellen, die ohne bauliche Veränderungen an diesen und ihren Ufern und mit geringem Bauaufwand Strömungsenergie in technisch nutzbare Energie wandeln kann. Das ist wegen der Renaturierung der Bäche durch Abbau von Wehren aktuell, weil an deren Stelle eine Folge von Sprüngen mit erhöhter Fließgeschwindigkeit entsteht.
Auch die Gewinnung von Energie an Stränden geringer Steigung aus von Wellen erzeugten wechselnden land- und seewärts gerichteten Strömungen gehört zu den möglichen Anwendungen. (Diese „Strandturbine” ist kein Wellenkraftwerk! Zwar läuft die Welle an Land, nicht aber das Wasser der Welle. Erst wenn diese wegen ansteigenden Bodens „bricht”, entsteht die landwärts gerichtete Strömung, die sich anschließend wieder umkehrt.)
Erfindungsgemäß wird die o. a. Aufgabe mittels Turbinenrades gelöst, dessen Rotationsachse in Fließrichtung zeigt und das auch bei geringer Wasserhöhe, also nur teil eingetaucht, wirkt. Weil die entstehende Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenrades (TR) größer als die Fließgeschwindigkeit des Wassers – je nach Flügelgestaltung und -stellung – sein wird, sinken bei gleicher Leistung die Umfangskraft, damit Masse und Größe und somit der Material- und Bauaufwand gegenüber dem der klassischen Wasserräder („Leichtbau durch Schnellläufigkeit”).
Das Leistungspotential eines Fließgewässers beträgt in einem betrachteten Abschnitt P = A × rho × g × deltah × v_m mit
A: Querschnitt, rho: Dichte der Flüssigkeit, g: Erdbeschleunigung, deltah: Sohlen-Höhen-Differenz zwischen Anfang und Ende des Abschnitts, v_m: Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt gemittelt. Mit den Werten in gleicher Reihenfolge folgt als Beispiel 0,4 × 6 × 1000 × 9,81 × 0,193 × 1,5 = 6815,9 W, rd. 6,8 kW. Daraus folgende Energie wird in einem ungenutzten Bach dissipiert, also in Wärme umgesetzt. Technisch entnehmbare Leistung ergibt sich aus dem Potential, multipliziert mit dem Wirkungsgrad.
Die Leistung eines teil eingetauchten Turbinenrades errechnet sich aus P_TR = v_m ³ × rho/2 × A_KA × cp(x) mit
A_KA: Fläche des Kreisabschnitts, cp(x): Leistungsbeiwert (konstant), A_KA = r²/2 × (alpha – sin(alpha)); alpha = 2 × arccos(1 – h/r) mit alpha: Sektorwinkel, r: Radius des TR, h: Eintauchtiefe, 1. Mit den Werten v_m = 1,5 m/s, r = 0,6 m und h = 0,5 folgt P = 0,44 kW, bei v_m = 2 m/s steigt die Leistung auf P = 1,05 kW.
Die Erfindung wird folgend mit ihren Lösungselementen beschrieben. Das Turbinenrad ist teil eingetaucht. Selbstanlauf erfordert, dass im eingetauchten Sektor mindestens ein Blatt wirkt. Dazu muss für die Blattzahl gelten: n >= 2 × pi/alpha und ganzzahlig. Je höher die Blattzahl, desto geringer die Drehzahl und damit Geräusch, Spritzer und Panschverluste. Diese können weiter reduziert werden durch Formanleihen von Fischen und Vögeln, die häufig zwischen Wasser und Luft wechseln, für die Profile. Merkmale sind wulstförmige eintauchende Profilnase und dünne, flexible Streifen an der ablaufenden Profilkante, 2. Die profilierten Blätter sind befestigt unter bestimmtem Anstellwinkel, der mit wachsendem Abstand von der Nabe abnimmt (Schränkung), und sollen nach Möglichkeit flexibel sein, im einfachsten Fall genügen gewölbte Bleche.
Im Gewässer wird die Bachturbine aufgestellt, aufgehängt oder schwimmend gehalten. Schwimmer sichern zugleich als Stützen den Sicherheitsabstand zur Sohle und können, in Strömungsrichtung leicht ausgestellt, als Diffusor wirken. In jedem Fall muss das TR gegen die Strömungskraft und gegen Abriss durch Stangen, Ketten oder Seile gehalten werden. Der Gefahr durch Kollision mit Schwemmgut ist durch Ausweichmöglichkeit zu begegnen, z. B. mit Lenkern oder Aufhängungen die dann das TR ausschwenken, 3. Fälle 1 und 2. Die Lagerung des TR ist entweder konventionell in gekapselten (Wälz-)Lagern, evtl. in einem Nabengenerator integriert, wassergeschmierten Gleitlagern oder geschieht durch Jo-Jo-ähnliche Aufhängung. Vorteilhaft ist hier die Integration von Aufhängung, Lagerung und Leistungsübertragung mit Zugmitteln wie Ketten, Keilriemen, Zahnriemen, die zudem noch eine kostengünstige, wartungsarme und leise Übersetzung der Rotordrehzahl zur Generatordrehzahl oder zur Abgabe mechanischer Leistung, z. B. für Pumpen oder Sägen bietet. Die Jo-Jo-Anordnung setzt Gleichgewicht der beiden Rotoren, zwischen den das Zugmittel angreift, voraus. Dies kann durch ein leichteres Gegengewicht G mit entsprechendem Abstand zu einem Rotor geschehen oder es bietet sich die Teilung eines geradzahligen TR in zwei an, die gleichachsig hintereinander angeordnet sind mit dem Abtrieb dazwischen, 4. 1 und 2. Vorteilhaft ist der Gleichteileffekt falls teuere Werkzeuge, so für (Kunststoff-)Rotoren, benötigt werden.
Eine Sonderform der Bachturbine ist die Anwendung zweier TR in gegenläufiger Drehrichtung (gleichachsig oder mit nahezu parallel versetzten Achsen), was den Drall der Strömung nutzt und kompensiert. Je nach Größe des Bachabschnittes (Länge, Breite und Wassertiefe) können mehrere TR hinter-(auch seitlich versetzt) oder nebeneinander angeordnet werden, eine Batterie bilden: 5. 1 und 2. So ergeben zwei (drei usw.) kleine Bachturbinen eines bestimmten Durchmessers bei einer bestimmten Eintauchtiefe eine größere Leistung als eine des doppelten (dreifachen usw.) Durchmessers. Damit wird das gegebene Bachprofil und -potential besser genutzt als mit TR großer Radien, außerdem können so TR mit großen und/oder unterschiedlichen Radien vermieden und durch kleinere und einheitliche ersetzt werden („Downsizing”). Die Teilleistungen sind elektrisch oder mechanisch (Riemen, flexible Wellen) zusammenzuführen.
Bei der o. a. Strandturbine entsteht die Aufgabe, die in Richtung und Strömungsgeschwindigkeit unterschiedlichen Strömungsleistungen zusammenzuführen. 6 zeigt eine prinzipielle Lösung, konkrete Ausführungen können andere Elemente oder Merkmale aufweisen. Hier wird angenommen, dass für jede Strömungsrichtung ein TR verwendet wird. Diese TR seien beide „Rechtsläufer”, also mit Blick in Strömungsrichtung drehen sie im Uhrzeigersinn. Deshalb muss die Übertragung von TR1 zu TR2 den Drehsinn ändern. Entsprechend der unterschiedlichen Leistung der Strömungen „von See” und „von Land” besitzt TR2 ein etwas größeres Riemenrad.
Der Riemen umschlingt auch ein Riemenrad auf dessen Welle ein Schwungrad und der Generator sitzen SRG. Sowohl TR1 und TR2 besitzen im Momentenfluss vom TR zur Riemenscheibe einen Freilauf, FI1 und FI2, der jeweils in der richtigen Phase das Drehmoment überträgt, in der „falschen” entweder das TR „rückwärts” drehen lässt oder festhält (Freilauf mit Rücklaufsperre). Letztere Variante konzentriert die jeweilige Strömung auf das aktive TR! Im einfachsten Fall wird die Rückströmung seewärts wegen geringerer Leistung nicht genutzt. Es bleibt bei einem TR mit Freilauf und Übertragung auf Schwungrad und Generator.
In Form- und Farbgestaltung ist die Beziehung jeder Variante der Bachturbine zum natürlichen Umfeld zu betonen. Es bietet sich an, für ihre Nutzung nachbarschaftliche Genossenschaften mit übereinstimmenden Interessen zu bilden.
Gegenüber den Wasserrädern und üblichen Turbinen hat die Bachturbine folgende Vorteile:

– Ökologisch vertretbare und gebotene Nutzung erneuerbarer Energie
– Mit ihr ist auch das Potential flacher Fließgewässer erschließbar
– Kein Bau-Eingriff in Gewässer einschließlich der Ufer
– Kein Leitapparat, geringe Drehzahl: fischfreundlich
– Geringer Bauaufwand, erlaubt Batteriebildung
– Einfacher Ein- und Ausbau, auch durch eine Person, hierdurch geeignet für mobilen Einsatz und saisonale Stilllegung
– Eigen-sicher gegen Schwemmgut und Hochwasser
– Selbsttätige Einhaltung der Eintauchtiefe durch Schwimmer
– Output elektrisch oder mechanisch flexibel durch Anwender nutzbar für EEG-Einspeisung oder Eigennutzung für Licht, Heizung (Wasserpegel der Bäche geht etwa mit Wärmebedarf: Von Oktober bis April) oder im Sommer Pumpenantrieb für Beregnung
– Ökologische Anwendung durch H₂-Elektrolyse und -speicherung sowie Sauerstoff einperlen zur Bachbelebung
– Betriebszeit ist Jahreszeit abhängig, ergänzend Photovoltaik und Wind
– Tag/Nacht-Leistung kontinuierlich im Vergleich zu Sonne und Wind
– Keine Emissionen, geräuscharm
– Geringer Preis: einfache Bauweise, hohe Stückzahl, Vereinheitlichung
– Günstiger Preis durch Recyclingkomponenten mit hoher Funktionsnähe
– Moderne Technik, Adäquates Wirkprinzip: Auftriebsläufer, keine Folklore

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

DE 102008037896 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.ksb.com/ksb-de./Produkte_Leistungen/Wassertechnik/Wasserkraft/40730/Kleinwasserkratt.html [0002]

Claims

Die Erfindung betrifft Turbinenräder für Fließgewässer geringen Wasserstandes, dadurch gekennzeichnet, dass deren Rotationsachse nahezu parallel zur Fließrichtung gerichtet ist und ihre Flügel nur zum Teil eingetaucht sind.
Turbinenrad nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Blattzahl gleich oder größer als 360° dividiert durch den Sektorwinkel und ganzzahlig ist.
Turbinenrad nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die eintauchende Profilnase wulstig geformt und/oder die ablaufende Profilkante nachgiebig gefiedert ist.
Turbinenrad nach Anspruch 1–3, gekennzeichnet dadurch, dass das Turbinenrad Jojo-artig mittels Riemen, Zahnriemen oder Ketten aufgehängt ist.
Turbinenrad nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Aufhängung zugleich der Leistungsübertragung dient.
Turbinenrad nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass der notwendige Gewichtsausgleich mittels Gegengewichtes oder durch Zweiteilung des mit gerader Blattzahl ausgestatteten Turbinenrades gleichachsig und symmetrisch zum mittigen Abtrieb erfolgt.
Turbinenräder nach Anspruch 1–6, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Turbinenräder im Fließgewässer nebeneinander oder hintereinander oder neben- und hintereinander angeordnet sind.
Turbinenräder nach Anspruch 1–7, die die land- oder seewärts gerichtete Strömung brechender Wellen an Stränden nutzen, gekennzeichnet dadurch, dass sie mit Freiläufen ausgerüstet sind, die nur Drehmoment in der Drehrichtung übertragen, für die das Turbinenrad gestaltet ist.