DE102013010379A1 - Schaufelradvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufelradvorrichtung mit einem Gehäuse (10) und einem im Gehäuse drehbaren Schaufelrad (12), wobei das Schaufelrad (12) einen Rotor (14) und mehrere, gleichmäßig über den Umfang des Rotors (14) verteilte, schwenkbar an dem Rotor (14) befestigte Schaufeln (18) umfasst. Die Schaufeln (18) sind in einer Aufklapprichtung von einer ersten Position in eine zweite Position schwenkbar, liegen in der ersten Position am Rotor (14) an und stehen in der zweiten Position von dem Rotor (14) ab, während sie an einem Anschlag (24) anliegen. Das Schaufelrad (12) ist außermittig im Strömungskanal (11) angeordnet. Eine Endkante (40) einer ersten Stömungsleitwand (26) des Strömungskanals (11) leitet eine Strömung im Wesentlichen tangential in der Aufklapprichtung auf das Schaufelrad (12). Ein oder mehrere Schaufelräder sind in einem Gehäuse (10) gelagert, und werden von Strömungsleitwänden (11) umgeben. Um den Wirkungsgrad für einen Einsatz in freien Gewässern mit geringer Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, verengt sich der Strömungskanal (11) sich in einer Anströmrichtung (A) zum Schaufelrad (12) hin, wobei der engste Bereich des Strömungskanals (11) stromabwärts der Endkante (40) liegt. Dadurch erzeugt jedes Schaufelrad einen aktiven Wirkbereich (41), der entlang der Strömungsrichtung auf einer durch das Ausklappen der Schaufeln erweiterten Querschnittsfläche die kinetische Energie des Wassers aufnimmt, und einen passiven Bereich, der aufgrund einer durch das Einklappen der Schaufeln verkleinerten Querschnittsfläche das Weiterdrehen des Rotors entgegen der Strömungsrichtung möglichst wenig behindert und somit den Rotor insgesamt in eine Drehung versetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaufelradvorrichtung zur Gewinnung von Energie aus Wasserkraft nach Anspruch 1, ein Schaufelradmodul sowie eine Generatoreinheit nach den weiteren unabhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung ermöglicht die Generierung von Elektrizität durch die Umwandlung der in einer Wasserströmung gespeicherter Energie, wobei die Erfindung komplett unter der Wasseroberfläche und schon bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten eingesetzt werden kann. Das Funktionsprinzip ist die Erzeugung eines asymmetrischen Widerstandsprofils für Wasserströmungen, so dass im Wesentlichen durch Verdrängungskräfte ein Rotor in kreisförmige Bewegung gebracht wird. Der Effekt wird durch Lenkung und Fokussierung der Wasserströmung durch Strömungsleitwände und andere Mechanismen verstärkt.
  • Es ist seit langem bekannt, zur Energieerzeugung aus Wasserkraft Schaufelräder zu verwenden. Während für höhere Strömungsgeschwindigkeiten mit Pelton- oder Francis-Turbinen sehr ausgereifte Technologien existieren, kann Energie aus Strömungen mit geringer Fließgeschwindigkeit oder geringem Druckgradienten bisher nur mit geringem Wirkungsgrad gewonnen werden. Eine Grenze liegt hier bei etwa 2 m/s.
  • Die Energiegewinnung im Bereich niedriger Fließgeschwindigkeiten ist jedoch insbesondere zur Stromerzeugung aus Meeresströmungen sehr wichtig und vielversprechend.
  • Meeresströmungen oder Strömungen in anderen Gewässern können bisher insbesondere dann nutzbar gemacht werden, wenn es sich um gezeitenabhängige Strömungen an engen Ein- oder Ausflüssen von Buchten, Fjorden, oder dergleichen handelt, wo vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden können.
  • Ein Beispiel für eine Unterwasserturbine zur Energiegewinnung aus Meeresströmungen ist in der WO2009/126995A1 beschrieben.
  • Aus der WO2009/126995A1 ist eine trommelartige Vorrichtung zur Nutzbarmachung der kinetischen Energie von Gezeitenströmungen offenbart, die schwenkbare Schaufeln umfasst. Die Schaufeln liegen in einem ausgeklappten, kraftübertragenden Zustand an einem Anschlag an. Auch dieses System arbeitet nur bei Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens zwei Metern pro Sekunde.
  • Ein Schaufelrad mit klappbaren Schaufeln ist ferner aus der DE3911125A1 bekannt, wobei das Schaufelrad in ein Gehäuse integriert ist, das zum Einbau in eine Rohrleitung vorgesehen ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaufelrad zur Energiegewinnung aus Gewässerströmungen bereitzustellen, das insbesondere für stetige Strömungen mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten effizient nutzbar ist und auch dann funktioniert, wenn es komplett im Gewässer versenkt ist, also z. B. unter der Meeresoberfläche.
  • Weitere Aspekte der Erfindung betreffen insbesondere modulare Generatorsysteme und Module für solche Systeme, die ein erfindungsgemäßes Schaufelrad umfassen.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, während sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus den abhängigen Ansprüchen ergeben.
  • Die Erfindung geht insbesondere aus von einer Schaufelradvorrichtung mit einem Gehäuse und einem in diesem Gehäuse drehbaren Schaufelrad. Das Schaufelrad umfasst einen Rotor und mehrere, gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilte, schwenkbar an dem Rotor befestigte Schaufeln. Die Schaufeln sind in einer Aufklapprichtung von einer ersten Position in eine zweite Position schwenkbar und liegen in einer ersten Position am Rotor an. In einer zweiten Position stehen die Schaufeln in einer im Wesentlichen radialen Richtung von dem Rotor ab und übertragen das Drehmoment auf den Rotor in dem sie z. B. an einem Anschlag anliegen.
  • Das Gehäuse umfasst einen Strömungskanal, und das Schaufelrad ist außermittig in dem Strömungskanal angeordnet, so dass eine Endkante einer ersten Strömungsleitwand des Strömungskanals eine Strömung im Wesentlichen tangential in der Aufklapprichtung auf das Schaufelrad leitet.
  • Es wird insbesondere vorgeschlagen, dass der Strömungskanal sich in einer Anströmrichtung des Gehäuses zum Schaufelrad hin verengt, wobei der engste Bereich des Strömungskanals stromabwärts der Endkante der ersten Strömungsleitwand liegt.
  • Die an der Endkante abreißende Strömung des anströmenden Fluids kann dadurch das Aufklappen der Schaufeln unterstützen. Auf dem Weg zwischen der Endkante und dem engsten Bereich des Strömungskanals kann die Schaufel vollständig ausklappen und so im engsten Bereich, also dort, wo die höchste Strömungsgeschwindigkeit und größte Wasserkraft vorliegt, die Wasserkraft mit maximaler Hebelwirkung übertragen. Die Verengung des Strömungskanals führt zu einer Geschwindigkeitsüberhöhung, die auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten außerhalb des Gehäuses einen hinreichenden Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung zulässt. Durch das Ein- und Ausklappen der Schaufeln können mehrere Schaufelräder bauraumsparend nebeneinander angeordnet werden, sodass die Konstruktion für eine modulare Bauweise besonders geeignet ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schaufeln jeweils an einem Drehpunkt schwenkbar an dem Rotor befestigt sind, wobei der Drehpunkt die Schaufeln jeweils in einem nach radial außen ausklappenden Arbeitsbereich und in einem radial nach innen klappenden Anlagebereich aufteilt, wobei letzterer in der zweiten Position am Anschlag anliegt.
  • Weiter bevorzugt umfasst zumindest der Arbeitsbereich eine konkave Schaufelfläche, die in der zweiten Position der Anströmrichtung zugewandt ist. Dadurch kann die Kraftübertragung weiter verbessert werden und Leistungsverluste werden reduziert.
  • Das Einklappen einer ersten Schaufel kann das Ausklappen einer oder mehrerer anderer Schaufeln unterstützen, wenn ein in der ersten Position der Schaufel zwischen dem Anlagebereich und dem Rotor eingeschlossener innerer Schwenkbereich einer ersten Schaufel über einen Kanal innerhalb des Rotors mit dem inneren Schwenkbereich einer weiteren Schaufel mittels Wasserdruck kommuniziert. Beim Ausklappen der ersten Schaufel wird in deren Anlagebereich Wasser verdrängt, das in den Anlagebereich einer oder mehrerer anderer Schaufeln gepresst bzw. gepumpt werden kann und so das Einklappen dieser Schaufel(n) unterstützt oder die Dämpfung der Bewegungen realisiert.
  • Die genaue Koordinierung der gegenseitigen Ein- und Ausklappbewegung durch Wasserdruck-Kanäle kann durch die Ausgestaltung der Kanäle festgelegt werden. Die Kanäle können zum Beispiel gegenüberliegende Schaufeln paarweise oder in Gruppen miteinander verbinden, oder sämtliche inneren Schwenkbereiche miteinander verbinden. Es ist ferner denkbar, die Kanäle mit Ventilen auszustatten, sodass nur Strömungen in eine Richtung zugelassen werden können oder das Strömungsverhalten zeitlich bzw. in Abhängigkeit der jeweiligen Winkellage der Schaufeln gesteuert werden kann.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass an radial äußeren Enden des Arbeitsbereichs der Schaufel Flügelelemente vorgesehen sind, die entweder schwenkbar oder flexibel nach außen deformierbar sind, und die dann Angriffspunkte für die von der Endkante der ersten Strömungsleitfläche abreißende Strömung bilden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbinenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei im gleichen Gehäuse angeordnete Schaufelräder mit entgegengesetzter Laufrichtung und vorzugsweise spiegelsymmetrischen Strömungsleitflächen vorgesehen sind.
  • Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein System aus mehreren Turbinenvorrichtungen nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Turbinenvorrichtungen mit flexiblen Verbindungselementen miteinander in einer Reihe oder zu einem Netz verbunden und über Befestigungselemente an einem oder mehreren Punkten am Gewässerboden verankert sind. Im Gehäuse sind vorzugsweise luft- oder gasgefüllte Hohlräume vorgesehen, die teilweise mit Wasser aufgefüllt oder entleert werden können, um einen gewünschten Auftrieb einzustellen.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren, ihre Beschreibung, die Ansprüche und die Einleitung erhalten zahlreiche Merkmale der Erfindung in speziellen Kombinationen, die der Fachmann auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen wird, um die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, an seine Bedürfnisse anzupassen.
  • 1 zeigt schematisch eine Schaufelradvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2a zeigt ein Gehäuse und einen Rotor einer Schaufelradvorrichtung gemäß 1 in einem Schnitt entlang der Linie II-II in 1 ohne Schaufeln.
  • 2b zeigt ein Gehäuse einer Schaufelradvorrichtung gemäß 1 in einer Draufsicht.
  • 3 zeigt schematisch ein Turbinenmodul mit zwei spiegelsymmetrischen Schaufelrädern gemäß der Erfindung.
  • 4 zeigt schematisch ein schwebendes Verbundsystem mit mehreren Turbinenmodulen gemäß 3.
  • 5 zeigt einen netzartigen Verbund von mehreren Turbinenmodulen gemäß 3 mit einer Verankerung.
  • 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaufelrad nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
  • 1 zeigt eine Schaufelradvorrichtung mit einem Gehäuse 10 und einem in dem Gehäuse 10 drehbar gelagerten Schaufelrad 12. Das Schaufelrad 12 umfasst einen Rotor 14 als Grundkörper, der eine starre Nabe des Schaufelrads 12 bildet. Die Nabe ist mit sternförmig radial vorspringenden Flügeln 16 ausgestattet, die sich an den Zylindermantel 15 des Rotors 14 anschließen und eine konkave Form haben.
  • An den radial äußeren Enden der Flügel 16 ist jeweils eine Schaufel 18 schwenkbar befestigt. Die Schaufeln 18 sind in einer Aufklapprichtung A von einer ersten Position in eine zweite Position schwenkbar.
  • In der ersten Position liegen die Schaufeln 18 überlappend am Rotor 14 an, und zwar derart, dass jede Schaufel 18 sich an der nächsten, benachbarten Schaufel 18 anschmiegt. Die Schaufeln 18 sind gekrümmt, und ihr Krümmungsradius entspricht im Wesentlichen dem Außenradius des Rotors 14, also der Hüllkurve der äußeren Enden der Flügel 16 des Rotors 14. In diesem Zusammenhang sollen Radien als ”im Wesentlichen gleich” bezeichnet werden, wenn sie um weniger als 10% bis 20% voneinander abweichen um das Einklappen der Schaufeln zu ermöglichen.
  • Die Schaufeln 18 sind in einem Drehpunkt P schwenkbar an den äußeren Enden der Flügel 16 des Rotors 14 befestigt, wobei der Drehpunkt die Schaufeln 18 jeweils in einen nach radial außen aufklappenden Arbeitsbereich 20 und in einen nach radial innen einklappenden Anlagebereich 22 aufteilen. In der zweiten Position liegt der Anlagebereich 22 der Schaufeln 18 an einem Anschlag 24 des Rotors 14 an. Der Anschlag 24 kann zum Beispiel durch eine Innenfläche eines Flügels 16 des Rotors 14 oder durch einen separaten Anschlag, beispielsweise einen Vorsprung am Zylindermantel 15 des Rotors 14, gebildet sein. In der zweiten Position kann über den Anschlag 24 ein an den Arbeitsbereichen 20 in der Ausklapprichtung der Schaufeln 18 angreifendes Drehmoment auf den Rotor 14 übertragen werden.
  • In der zweiten Position der Schaufeln 18 bilden die Enden der Arbeitsbereiche 20 die radial äußersten Punkte des Schaufelrads 12, und eine Hüllkurve der Schaufelspitzen im ausgeklappten Zustand hat einen Radius R, der um ein Mehrfaches größer ist als ein Außenradius r der Flügel 16 des Rotors 14. Durch das Ausklappen der Schaufeln 18 kann der Radius des Schaufelrads 12 daher lokal deutlich vergrößert werden.
  • Die Länge des Anlagebereichs 22 entspricht in etwa dem Abstand zwischen benachbarten Flügeln 16 des Rotors 14 am Drehpunkt P, so dass der Anlagebereich 22 einen keilförmigen Zwischenraum als Schwenkbereich 25 zwischen zwei benachbarten Flügeln 16 in der ersten Position bis auf einen schmalen Spalt vollständig verschließt. Ein radial inneres Ende des Anlagebereichs 22 einer Schaufel 18 schwenkt auf einer kreissegmentförmigen Kurve beim Ausklappen der Schaufel 18 nach radial innen und die Flügel 16 sind so gekrümmt, dass zumindest eine konkave, sich schräg nach außen öffnende Fläche 17 der Flügel 16 ein ebenfalls kreissegmentförmiges Profil hat, das parallel zur Bahnkurve des nach innen klappenden Endes der Schaufel 18 verläuft, so dass in jeder Schwenkposition ein Spalt 27 mit relativ konstant bleibender Breite besteht.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einem radial inneren Bereich der keilförmigen Hohlräume zwischen benachbarten Flügeln 16 und dem Anlagebereich 22 der Schaufeln 18 innerhalb des Rotors 14 Kanäle 29 vorgesehen, so dass beim Einklappen des Anlagebereichs 22 einer Schaufel das aus dem Schwenkbereich 25 verdrängte Wasser in den inneren Schwenkbereich einer weiteren Schaufel gedrängt wird, und das Einklappen einer weiteren, z. B. gegenüberliegenden, Schaufel 18 so unterstützen kann.
  • Das Gehäuse 10 umfasst eine erste, in 1 rechts dargestellte Strömungsleitwand 26, eine zweite, in 1 links dargestellte Strömungsleitwand 28, zwei im Wesentlichen kreissegmentförmige Strömungsleitwände 30, 32 und Seitenwände 34, 36 in einem Ausgangsbereich 42 des Strömungskanals 11.
  • Das aus einer Anströmrichtung A in einen Strömungskanal 11 der Vorrichtung einströmende Fluid, insbesondere Wasser, wird von den konisch zusammenlaufenden Strömungsleitwänden 26, 28 des Einlassbereichs 39 so geführt, dass es im Wesentlichen vollständig durch einen Wirkbereich 41 zwischen einer Rotationsachse 38 und der in 1 linken, kreissegmentförmigen Strömungsleitwand 32 fließt.
  • Dazu ist die Strömungsleitwand 26 so gekrümmt, dass die Strömung im Wesentlichen bezogen auf die Rotationsachse 38 tangential auf die Schaufeln 18 bzw. auf eine Hüllkurve der äußeren Enden der Flügel 16 des Rotors 14 trifft. Eine Endkante 40 der ersten Strömungsleitwand 26 des Einlassbereichs 39 führt zu einem Strömungsabriss, und die dort entstehende starke tangentiale Strömung greift unter die anliegenden äußeren Spitzen der Schaufel 18 und klappt diese auf.
  • Die zweite Strömungsleitwand 28 trifft weiter stromabwärts auf die kreissegmentförmige Strömungsleitwand 32, deren Radius bis auf einen Spalt dem Außenradius R der ausgeklappten Schaufeln 18 entspricht. Die geometrischen Mittelachsen der kreissegmentförmigen Strömungsleitwände 30, 32 entsprechen der Rotationsachse 38 des Rotors 14, wobei die Strömungsleitwand 30 einen in Rotationsrichtung konstanten oder sich verkleinernden Radius aufweist. Der Übergang zwischen der Strömungsleitwand 28 und der Strömungsleitwand 32 kann in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kontinuierlich, beispielweise durch einen konvexen Bereich mit einem Radius, ausgestaltet werden. Statt der kreissegmentförmigen Ausgestaltung der Strömungsleitwände 30, 32 können in anderen Ausgestaltungen der Erfindung auch andere, insbesondere konkave Formen gewählt werden.
  • Der Radius der zweiten kreissegmentförmigen Strömungsleitwand 30, die in einem spitzen Winkel in der Endkante 40 auf die ersten Strömungsleitwand 26 trifft, ist deutlich kleiner als ein Krümmungsradius der ersten Strömungsleitwand 32. Der Rotor 14 ist außermittig zwischen den Strömungsleitwänden 30, 32 angeordnet, die den Strömungskanal 11 im Wirkbereich 41 eingrenzen. Die Strömungsleitwände 30, 32 gehen stromabwärts in die Seitenwände 34, 36 im Auslassbereich 42 des Strömungskanals 11 über.
  • Im Betrieb dreht sich das Schaufelrad 12 aus 1 gegen den Uhrzeigersinn, und die Schaufeln klappen, nachdem sie den durch die Seitenwände 34, 36 begrenzten Auslassbereich 42 durchlaufen haben, unterstützt durch die Wirkung des über die Kanäle 29 einströmenden Wassers, ein, so dass sie im angelegten Zustand an der Strömungsleitwand 30 vorbeigeführt werden und einem eventuell durch einen Spalt an der Strömungsleitwand 30 vorbeiströmenden, sehr geringen Anteil des Wassers kaum Widerstand entgegensetzen. Sobald die Spitze der eingeklappten Schaufeln 18 die Endkante 40 passiert hat, greift die an der Endkante 40 abreißende Strömung unter die Schaufeln 18 und klappt diese auf. Dabei unterstützen sich Schaufeln 18, die in ihren Schwenkbereichen 25 über die Kanäle 29 miteinander verbunden sind, in ihrem Klappverhalten.
  • 2a zeigt schematisch den Aufbau des Gehäuses 10 mit einem Schaufelrad in einem Schnitt entlang der Linie II-II in 1, wobei das Schaufelrad 12 ohne Schaufeln dargestellt ist. 2b zeigt das Gehäuse 10 in einer Draufsicht, wobei zwei gegenläufig drehende Schaufelradvorrichtungen aufgenommen werden.
  • Der Strömungskanal 11 ist in beiden, bezogen auf die Rotationsachse des Rotors 14, axialen Richtungen durch jeweils einen stirnseitigen Deckel 10f als Teil des Gehäuses 10 begrenzt. Der Rotor 14 bzw. das Schaufelrad 12 treibt eine Welle an, die über einen Kupplungsbereich 44 mit einem Generator 46 oder weiteren Schaufelradmodulen oder Getriebeeinheiten 43 verbunden werden kann. In dem Gehäuse 10 können Hohlräume vorgesehen sein, die ein gewünschtes Auf- oder Abtriebsverhalten des Gehäuses 10 schaffen, so dass die Gesamteinheit in einer wählbaren Wassertiefe schweben kann und beispielsweise durch Belüften des Hohlraums aktiv an die Wasseroberfläche auftauchen kann oder durch Befüllen abgesenkt werden kann.
  • 2b zeigt eine modulare Containerbauweise in einer Draufsicht. Zwei spiegelsymmetrische Schaufelräder 12, 12' sind in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet. Wie auch in 3 dargestellt, sind die Rotationsrichtungen der Schaufelräder 12, 12' entgegengesetzt. Vorzugsweise ist das Gehäuse in einem quaderförmigen Norm-Container mit Abmessungen von 2,5 × 6,2 m in der Draufsicht integriert. Der Container bildet somit den Hauptkörper 10a des Gehäuses. Für den Transport können Frontklappen und Heckklappen abnehmbar oder ausklappbar sein, und geeignete Strömungsleitwände 10b10e können am Ort der Endmontage an den Außenflächen des quaderförmigen Hauptkörpers 10a montiert werden. Front- und/oder Heckklappen können im ausgeklappten Zustand Teile der Strömungsleitwände bilden. Dadurch sind die Module kostengünstig und einfach mit Container-Schiffen, LKWs, Güterzügen und sonstigen Transportmitteln transportierbar und über die üblichen Aufnahmepunkte gut miteinander verbindbar. Durch die paarweise Anordnung von zwei Schaufelrädern können resultierende Gesamtdrehmomente, die auf das Gehäuse 10 wirken, vermieden werden, und ferner ist eine Anpassung an die längliche Form von Norm-Containern möglich.
  • 3 zeigt eine dreidimensionale Zeichnung von zwei Schaufelrädern 12 und 12' in einem Gehäuse 10.
  • 4 und 5 zeigen schematisch einen matrixförmigen Verbund von mehreren Modulen E 1.1. bis E k.n der in 2a und 2b dargestellten Art in Modul-Bauweise. Die Kupplungsbereiche 44 der Schaufelräder der letzten Modulreihe sind über Getriebe 43 mit einem oder mehreren Generatoren 46 verbunden.
  • 5 zeigt einen netzartigen Verbund von mehreren Turbinenmodulen gemäß 3 mit einer Verankerung 48. Der Verbund schwebt im Gewässer wie ein am Boden verankertes Fischernetz, wobei die Strömung eine horizontale Konvektionskraft bzw. eine den Strömungswiderstand ausgleichende Gegenkraft und ein oberhalb der Turbinenmodule angeordneter Körper eine Auftriebskraft erzeugen, die den Verbund in einer gewünschten Höhe über dem Gewässerboden schweben lassen. Die einzelnen Module sind über flexible Verbindungselemente 56 miteinander verbunden, in welchen Wellen zum Übertragen der von den Schaufelrädern 12 abgegriffenen Leistung auf die Generatoren 46 geführt sind.
  • Die gesamte Anlage wird gegen ihren Auftrieb sowie gegen Reaktionskräfte der Strömung mit Hilfe eines Ankers 48 im Gewässerboden gesichert. Auftriebskörper 50 und Hohlräume in den Gehäusen 10 werden so eingestellt, dass das System wie ein Kollektor in der Form eines Segels unter der Wasseroberfläche schweben kann. Der von den Generatoren 46 erzeugte Strom kann über die Befestigungselemente 52 bzw. neben den Befestigungselemente geführte Stromleitungen zum Gewässerboden übertragen werden, wo beispielsweise Trafostationen vorgesehen sein können.
  • 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaufelrad nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, in der die Enden der Schaufeln mit nach radial außen abklappbaren Flügelelementen 54 ausgestattet sind. Die übrigen Merkmale entsprechen denjenigen aus 1.
  • Die Flügelelemente 54 werden an der Endkante 40 von dem anströmenden Fluid schnell aufgeklappt, so dass die Strömung unter den Arbeitsbereich 20 der Schaufel 18 geleitet wird und sich diese im Vergleich zum Ausführungsbeispiel aus 1 schneller aufklappt. Beim Erreichen der Stömungsleitfläche 32 werden die Flügelelemente 54 wieder eingeklappt und liegen beim Durchlaufen der Strömungsleitflächen 30, 32 am Arbeitsberiech 20 der jeweiligen Schaufel an.
  • Die Erfindung ermöglicht die Generierung von Elektrizität durch die Umwandlung der in einer Wasserströmung gespeicherter Energie, wobei die Erfindung komplett unter der Wasseroberfläche und schon bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten eingesetzt werden kann. Das Funktionsprinzip ist die Erzeugung eines asymmetrischen Widerstandprofils für Wasserströmungen, so dass im Wesentlichen durch Verdrängungskräfte ein Rotor in kreisförmige Bewegung gebracht wird. Der Effekt wird durch Lenkung und Fokussierung der Wasserströmung durch Strömungsleitwände und andere Mechanismen verstärkt.
  • Jedes Schaufelrad erzeugt einen aktiven Wirkbereich, der entlang der Strömungsrichtung auf einer durch das Ausklappen der Schaufeln erweiterten Querschnittsfläche die kinetische Energie des Wassers aufnimmt, und einen passiven Bereich, der aufgrund einer durch das Einklappen der Schaufeln verkleinerten Querschnittsfläche das Weiterdrehen des Rotors entgegen der Strömungsrichtung möglichst wenig behindert und somit den Rotor insgesamt in eine Drehung versetzt.
  • 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
    • WO 2009/126995 A1 [0006, 0007]
    • DE 3911125 A1 [0008]

Claims (7)

  1. Schaufelradvorrichtung mit einem Gehäuse (10) und einem im Gehäuse drehbaren Schaufelrad (12), wobei: a. das Schaufelrad (12) einen Rotor (14) und mehrere, gleichmäßig über den Umfang des Rotors (14) verteilte, schwenkbar an dem Rotor (14) befestigte Schaufeln (18) umfasst, b. die Schaufeln (18) in einer Aufklapprichtung von einer ersten Position in eine zweiten Position schwenkbar sind, c. die Schaufeln (18) in der ersten Position am Rotor (14) anliegen, d. die Schaufeln (18) in der zweiten Position von dem Rotor (14) abstehen und mit einem Anlagebereich (22) an einem Anschlag (24) anliegen, e. das Gehäuse (10) einen Strömungskanal (11) umfasst; und f. das Schaufelrad (12) außermittig im Strömungskanal (11) angeordnet ist und g. eine Endkante (40) einer ersten Stömungsleitwand (26) des Strömungskanals (11) eine Strömung im Wesentlichen tangential in der Aufklapprichtung auf das Schaufelrad (12) leitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (11) sich in einer Anströmrichtung (A) zum Schaufelrad (12) hin verengt, wobei der engste Bereich des Strömungskanals (11) stromabwärts der Endkante (40) liegt.
  2. Schaufelradvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (18) in einem Drehpunkt (P) schwenkbar an dem Rotor (14) befestigt sind, wobei der Drehpunkt (P) die Schaufeln (18) jeweils in einen nach radial außen ausklappenden Arbeitsbereich (20) und einen nach radial innen klappenden Anlagebereich (22) aufteilen, der in der zweiten Position an dem Anschlag (24) anliegt.
  3. Schaufelradvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Arbeitsbereich (20) eine konkave Schaufelfläche umfasst, die in der zweiten Position der Anströmrichtung (A) zugewandt ist.
  4. Schaufelradvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der ersten Position der Schaufel (18) zwischen dem Anlagebereich (22) und dem Rotor (14) eingeschlossener innerer Schwenkbereich (25) einer ersten Schaufel (18) über einen Kanal (29) innerhalb des Rotors (14) mit dem inneren Schwenkbereich (25) einer oder mehreren weiteren Schaufeln (18) kommuniziert.
  5. Schaufelradvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem radial äußeren Ende des Arbeitsbereichs (20) jeder Schaufel (18) nach außen schwenkbare oder elastisch deformierbare Flügelelemente (54) vorgesehen sind.
  6. Schaufelradvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei im gleichen Gehäuse (10) angeordnete Laufräder (12, 12') mit entgegengesetzter Laufrichtung.
  7. System aus mehreren Schaufelradvorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung unter Wasser zur Gewinnung von Energie aus Gewässerströmungen, wobei die Schaufelradvorrichtung mit flexiblen Verbindungselementen (56) miteinander in einer Reihe oder in einem Netz verbunden sind.
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