DE102014119253A1

DE102014119253A1 - Wasserkraftturbine für den Einsatz in einem fließenden Gewässer

Info

Publication number: DE102014119253A1
Application number: DE102014119253.2A
Authority: DE
Inventors: Marcel Blistein; Peter Fröde
Original assignee: SMART HYDRO POWER GmbH
Current assignee: SMART HYDRO POWER GmbH
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftturbine (10) für den Einsatz in einem fließenden Gewässer (100) zur Erzeugung von elektrischem Strom, aufweisend ein Gehäuse (20), eine Turbine (30), einen mit der Turbine drehmomentübertragend verbundenen Stromgenerator (40) und eine Ankervorrichtung (50) für die Verankerung der Wasserkraftturbine (10) in einer Ankerposition (AP) im fließenden Gewässer (100), wobei die Ankervorrichtung (50) zumindest einen ersten Ankerpunkt (52) und wenigstens eine am ersten Ankerpunkt (52) befestigte Ankerleine (60) für eine seitliche Befestigung am Ufer (110) des fließenden Gewässers (100) aufweist, wobei eine Anstellvorrichtung (70) vorgesehen ist für die Erzeugung einer seitlichen Anstellung zumindest eines Teils der Wasserkraftturbine (10) zur Strömungsrichtung (SR) des Gewässers (100).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserkraftturbine für den Einsatz in einem fließenden Gewässer, ein Verfahren für die Anordnung einer Wasserkraftturbine in einem fließenden Gewässer sowie ein Verfahren für das Rückholen einer Wasserkraftturbine aus einem fließenden Gewässer.
Es ist inzwischen bekannt, dass Wasserkraftturbinen eingesetzt werden, um in fließenden Gewässern elektrischen Strom zu erzeugen. Derartige Wasserkraftturbinen sind üblicherweise mit einem Gehäuse versehen, in dessen Innerem eine Turbine und ein Stromgenerator angeordnet sind. Um eine Relativbewegung zwischen Turbine und fließendem Gewässer sicherzustellen, sind Ankervorrichtungen vorgesehen, welche diese Wasserkraftturbine in eine Ankerposition im fließenden Gewässer positionieren. Üblicherweise ist die ideale Positionierung einer Wasserkraftturbine mittig in einem fließenden Gewässer, also einem Fluss oder einem Strom, vorgesehen. Um dies zu erzielen, ist eine mittige Ausrichtung der Ankervorrichtung, zum Beispiel an einem entsprechenden Spannseil quer über den Fluss, an einer Brücke oder auf dem Grund des Flussbetts vorzusehen. Diese Anordnungen sind entweder mit hohen baulichen Anforderungen behaftet, oder führen zu limitierten Einsatzpositionen, nämlich an Orten, wo bereits zum Beispiel eine Brücke vorhanden ist.
Ein weiterer Nachteil dieser Lösungen ist es, dass sowohl das Positionieren, als auch das Rückholen der Wasserkraftturbine mit hohem Aufwand verbunden ist. So ist üblicherweise ein Kran mit weitem Ausleger notwendig, um entsprechend den Anker, die Ankervorrichtung und vor allem die Wasserkraftturbine in der gewünschten Ankerposition einzusetzen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise das Handling, insbesondere das Einsetzen und das Rückholen der Wasserkraftturbine, zu verbessern bzw. zu vereinfachen.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Wasserkraftturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den beiden erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Eine erfindungsgemäße Wasserkraftturbine ist ausgelegt für den Einsatz in einem fließenden Gewässer zur Erzeugung von elektrischem Strom. Hierzu weist die Wasserkraftturbine ein Gehäuse, eine Turbine und einen mit der Turbine drehmomentübertragend verbundenen Stromgenerator auf. Weiter ist eine Ankervorrichtung für die Verankerung der Wasserkraftturbine in einer Ankerposition in fließendem Gewässer vorgesehen. Eine erfindungsgemäße Wasserkraftturbine zeichnet sich dadurch aus, dass die Ankervorrichtung zumindest einen ersten Ankerpunkt und wenigstens eine am ersten Ankerpunkt befestigte Ankerleine für eine seitliche Befestigung am Ufer des fließenden Gewässers aufweist. Dabei ist eine Anstellvorrichtung vorgesehen für die Erzeugung einer seitlichen Anstellung zumindest eines Teils der Wasserkraftturbine zur Strömungsrichtung des Gewässers.
Eine erfindungsgemäße Wasserkraftturbine baut also auf grundsätzlich bekannten Wasserkraftturbinen auf. Kern solcher Wasserkraftturbinen ist die Kombination aus Turbine und Stromgenerator. Eine solche Turbine ist ein Bauteil bzw. eine Kombination aus Bauteilen, welche durch eine Strömung des fließenden Gewässers eine Rotationsbewegung erzeugen. Diese Rotationsbewegung und das damit durch das fließende Gewässer eingebrachte Drehmoment kann nun auf den Stromgenerator übertragen werden, welcher wiederum dieses erzeugte Drehmoment in elektrischen Strom umwandelt.
Gehäuse können im Sinne der vorliegenden Erfindung in verschiedenster Weise ausgestaltet sein. So kann ein Gehäuse in besonders einfacher Ausführungsform eine Möglichkeit bieten, den Stromgenerator und die Turbine entsprechend zu lagern und die drehmomentübertragende Verbindung herzustellen bzw. zu schützen. Hierfür kann ein solches Gehäuse zum Beispiel Wandungen aufweisen. Jedoch sind auch komplexere Gehäuse, welche eine Durchströmung, zum Beispiel durch ringförmige Gehäuseabschnitte, ermöglichen, im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Auch ist es möglich, dass das Gehäuse eigene Funktionen, insbesondere strömungstechnische Funktionen, übernimmt. So kann ein solches Gehäuse zum Beispiel eine Diffusorfunktion erfüllen, in dem entsprechende Durchmesserverhältnisse bzw. Strömungsquerschnitte vorgegeben werden.
Eine Ankerposition ist im Sinne der vorliegenden Erfindung die Einsatzposition der Wasserkraftturbine, also die Position, in welcher der Strom produziert wird. Dabei handelt es sich um die Position, welche eingenommen wird, wenn sich ein Gleichgewicht zwischen der Anströmkraft durch das fließende Gewässer, der Auftriebskraft der Wasserkraftturbine sowie deren Gewichtskraft und entsprechende Ankerkräfte einstellt.
Erfindungsgemäß ist nun eine Ankervorrichtung vorgesehen, welche eine seitliche Befestigung am Ufer des fließenden Gewässers erlaubt. Darunter können klassische Anker in reversibler oder irreversibler Weise ausgebildet sein. So sind zum Beispiel kleine Betonfundamente seitlich am Ufer des fließenden Gewässers denkbar, welche mit entsprechend Anbindeösen eine Ankervorrichtung verankern können. Selbstverständlich kann nicht nur am Ufer, sondern auch direkt auf der Wasserlinie oder knapp unterhalb der Wasserlinie im Uferbereich des fließenden Gewässers eine solche Ankervorrichtung befestigt werden.
Um nun sicherzustellen, dass die Ankerposition weiter in der Mitte des fließenden Gewässers bzw. zumindest beabstandet vom seitlichen Ufer des fließenden Gewässers eingenommen werden kann, ist die erfindungsgemäße Anstellvorrichtung vorgesehen. Diese führt dazu, dass eine seitliche Anstellung der Wasserkraftturbine eine Lateralkraft erzeugt.
Wird nun eine Wasserkraftturbine durch die Ankervorrichtung seitlich an dem fließenden Gewässer am Ufer befestigt, so kann anschließend entweder von Hand oder mit einem kurzen Kranausleger die Wasserkraftturbine in das fließende Gewässer an dessen Ufer bzw. in dessen Uferbereich eingesetzt werden. Anschließend spannt sich die Ankerleine der Ankervorrichtung und die Anstellvorrichtung erzeugt die seitliche Anstellung zur Strömungsrichtung des Gewässers. Diese seitliche Anstellung führt dazu, dass insbesondere in Korrelation mit einer entsprechenden Anströmfläche der Wasserkraftturbine, nun eine Lateralkraft quer zur Strömungsrichtung aufgebracht wird. Die sich einstellenden Kräfte befinden sich zu diesem Zeitpunkt im Ungleichgewicht, so dass im Ergebnis ein Kraftvektor dazu führt, dass die Wasserkraftturbine vom Uferbereich weg in Richtung der Mitte des fließenden Gewässers gezogen wird. Diese Bewegung wird solange durchgeführt, bis sich ein Kraftgleichgewicht in der horizontalen Ebene einstellt aus der Ankerkraft, welche über die Ankervorrichtung abgetragen wird, und der durch das fließende Gewässer eingebrachten Strömungskraft mit der entsprechenden Anstellung und dem zugehörigen Strömungswinkel der Strömungskraft. Wie aus dieser Erläuterung ersichtlich ist, erfolgt sozusagen eine automatische Bewegung der Wasserkraftturbine in die Ankerposition, wobei gleichzeitig eine kostengünstige und vor allem einfach erzielbare Befestigung am Ufer eines fließenden Gewässers möglich wird.
Unter einem Ankerpunkt an der Wasserkraftturbine ist im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Möglichkeit zu verstehen, die Ankerleine zu befestigen. Dabei kann dieser Ankerpunkt sowohl zentral als auch dezentral angeordnet sein. So kann zum Beispiel, wie später noch erläutert wird, die Anstellvorrichtung zumindest teilweise durch die Ankervorrichtung ausgebildet werden, indem eine dezentrale Anordnung des ersten Ankerpunkts erfolgt. Gleichzeitig ist es auch möglich, dass die Ankerleine, insbesondere in Form eines Stahlseils, mittels Karabinern oder irreversiblen Befestigungsmöglichkeiten an unterschiedlichen ersten Ankerpunkten befestigbar ist, um die seitliche Anstellung, je nach Einsatzsituation variieren zu können.
Die Anstellvorrichtung kann darüber hinaus ein separates Bauteil aufweisen, und zum Beispiel in Form eines Flügels oder einer Asymmetrie des Gehäuses die entsprechende seitliche Anstellung zur Verfügung stellen. So kann beispielsweise die Wasserkraftturbine hinsichtlich ihrer Durchströmungsrichtung parallel bzw. entlang der Strömungsrichtung des Gewässers gehalten werden, wobei durch eine entsprechend asymmetrische Ausbildung eines Gehäuses oder eines Flügels durch eine solche Anströmfläche die zumindest teilweise Anstellung der Wasserkraftturbine zur Verfügung gestellt wird.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine die Anstellvorrichtung eine Anströmfläche aufweist, welche einen spitzen Anstellwinkel zur Durchströmungsrichtung durch die Wasserkraftturbine aufweist. Eine solche Anströmfläche kann zum Beispiel ein Teil des Gehäuses sein. So kann zum Beispiel ein Gehäuse in Form eines Diffusors entsprechend asymmetrisch ausgebildet sein, um diesen Anstellwinkel zur Verfügung zu stellen. Auch ein oder mehrere separate Flügelflächen sind als Anströmfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Dabei ist insbesondere eine schräge Anordnung mit Bezug auf die Durchströmungsfläche zur Verfügung gestellt. Selbstverständlich können auch Bauteile in Funktionsunion, zum Beispiel der Rotor der Turbine selbst, eine entsprechende Anströmfläche zur Verfügung stellen. So kann die gesamte Turbine oder ein Teil des Rotors schräg gestellt sein, um die entsprechende Lateralkraft in erfindungsgemäßer Weise für die Anstellvorrichtung zu erzeugen.
Es kann weiter von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine die Anstellvorrichtung wenigstens teilweise durch eine asymmetrische seitliche Anordnung des zumindest einen ersten Ankerpunktes an der Wasserkraftturbine mit Bezug auf die Durchströmungsrichtung der Wasserkraftturbine ausgebildet ist. Eine Wasserkraftturbine ist insbesondere hinsichtlich ihrer Durchströmungsrichtung symmetrisch ausgebildet. So ist die Durchströmungsrichtung bezogen insbesondere auf die Strömungsrichtung, also auf einen Einlass und einen Auslass des eintretenden sowie des austretenden Wassers des fließenden Gewässers. Insbesondere ist die Durchströmungsrichtung als Durchströmungsachse entlang einer Geraden ausgebildet. Entsprechend ist nun erfindungsgemäß ein seitlicher und damit asymmetrischer Versatz des ersten Ankerpunktes von dieser Durchströmungsrichtung vorgesehen, so dass auf diese Weise sich automatisch eine Anstellung der gesamten Wasserkraftturbine bzw. des Gehäuses der Wasserkraftturbine einstellt. Damit lassen sich auch bestehende Wasserkraftturbinen durch eine entsprechende Ausbildung einer zusätzlichen Anstellvorrichtung und einer entsprechenden Anordnung des ersten Ankerpunktes nachrüsten. Änderungen an der Turbine oder Änderungen am Gehäuse sind bei dieser Ausführungsform nicht oder zumindest nur in sehr geringem Maße notwendig. Somit hält sich der konstruktive Aufwand für die Erfüllung der erfindungsgemäßen Funktion bei dieser Ausführungsform in engen Grenzen.
Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine gemäß dem voranstehenden Absatz die Ankervorrichtung zumindest einen zweiten Ankerpunkt aufweist, welcher insbesondere symmetrisch an der Wasserkraftturbine mit Bezug auf die Durchströmungsrichtung der Wasserkraftturbine angeordnet ist. Dabei weist die Ankerleine zumindest zwei Nebenankerleinenabschnitte auf, deren erste Enden an dem jeweiligen Ankerpunkt befestigt sind und deren zweite Enden miteinander befestigt sind. Das bedeutet, dass eine größere Stabilität der Wasserkraftturbine im Ankerpunkt, also in der Einsatzsituation, erreichbar wird. Eine definierte Anstellung wird auf diese Weise gegeben, so dass ein Schlingern oder ein unerwünscht starkes Kippen der Wasserkraftturbine vermieden wird. Vielmehr wird ein Leinendreieck der Ankerleine zur Verfügung gestellt, welche die Anstellung und damit den Anstellwinkel in definierter Weise zur Verfügung stellen. Die symmetrische Anordnung ist dabei insbesondere auch als mittige Anordnung zu bezeichnen. Dabei ist nicht zwangsläufig eine Anordnung des zweiten Ankerpunktes exakt in der Mitte auf der Achse notwendig. Vielmehr reicht es aus, wenn der zweite Ankerpunkt auf der gleichen Seite der Durchströmungsrichtung auch außermittig angeordnet sein kann. Theoretisch ist auch eine Ausbildung der beiden Nebenankerleinenabschnitte bis zum Ufer, also dem entsprechenden Verankerungspunkt am Ufer denkbar. Auch ist es möglich, dass ab der Kombination der zweiten Enden der Nebenankerleinenabschnitte miteinander ein gemeinsamer Hauptankerleinenabschnitt sich bis zur Verankerung am Ufer erstreckt.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine die Ankervorrichtung zumindest einen dritten Ankerpunkt aufweist, welcher oberhalb der Mitte der Durchströmungsrichtung, insbesondere symmetrisch zur Durchströmungsrichtung der Wasserkraftturbine angeordnet ist. Mit anderen Worten wird nun eine Anordnung oberhalb der Durchströmungsrichtung, insbesondere oberhalb des Auftriebsschwerpunktes der Wasserkraftturbine, eine zusätzliche Sicherheit zur Verfügung stellen. Zum einen kann auf diese Weise eine höhere Stabilität der Wasserkraftturbine in der Einsatzsituation erzielt werden. Auch ist hier eine Kombination aus insgesamt drei Nebenankerleinenabschnitten denkbar, welche ebenfalls zu einer erhöhten Stabilisierungsfunktion führt. Nicht zuletzt ist es möglich, dass auf diese Weise eine Höhenanpassung in Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit des Gewässers mit höherer Genauigkeit erzielbar wird. So wird bei hoher Fließgeschwindigkeit sich durch das entsprechend einstellende Kraftgleichgewicht und die veränderten Kraftvektoren ein Abtauchen der Wasserkraftturbine die Folge sein. Dies ist insbesondere dann gewünscht, wenn es sich um eine Hochwassersituation handelt, welche üblicherweise mit einer erhöhten Fließgeschwindigkeit einhergeht. Durch die Anbindung eines dritten Ankerpunktes oberhalb der Mitte der Durchströmungsrichtung kann dies zu einem zusätzlichen Kippmoment in einer vertikalen Ebene führen, so dass auf diese Weise das erwünschte Abtauchen gegen den Schutz einer Kollision mit Treibgut auf der Oberfläche des fließenden Gewässers noch weiter verbessert wird.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine die Ankervorrichtung, insbesondere die Ankerleine, eine Variationsvorrichtung für die Variation der Länge wenigstens eines Abschnitts der Ankerleine aufweist. Darunter ist zu verstehen, dass die Ankerleine unterschiedliche Längen aufweisen kann. So kann durch die Länge der Ankerleine die Gesamtgeometrie der Einsatzsituation variiert werden. Die Gesamtgeometrie spiegelt sich wiederum wider in der gesamten Kraftgleichgewichtssituation, so dass durch die entsprechende Variation der Länge auch der Ort der Ankerposition der Wasserkraftturbine variierbar ist. Die Variationsvorrichtung kann dabei sowohl eine manuelle Variationsmöglichkeit als auch eine automatische, zum Beispiel motorische Variationsmöglichkeit aufweisen. Diese Variationsvorrichtung kann sowohl Teil der Ankerleine, Teil des Gehäuses der Wasserkraftturbine oder Teil einer entsprechenden Verankerungsvorrichtung am Ufer des fließenden Gewässers sein.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine die Ankervorrichtung eine Rückholvorrichtung aufweist mit einem Rückholpunkt und einer am Rückholpunkt befestigten Rückholleine. Dabei ist der zumindest eine erste Ankerpunkt seitlich außerhalb des Rückholpunkts angeordnet. Das bedeutet, dass nun zwischen zwei unterschiedlichen Vorrichtungen und damit mit unterschiedlichen Kraftsituationen gearbeitet werden kann. Wird die Rückholvorrichtung aktiviert, also die Rückholleine gespannt, so führt dies insbesondere dazu, dass die Anstellvorrichtung sich entspannt. Sind die Rückholleine und die Ankerleine unterschiedliche Leinen, so führt dies zu einem Anspannen der Rückholleine und einem Entspannen der Ankerleine. Dies führt dazu, dass sich das Kraftgleichgewicht umdreht und die Rückholvorrichtung eine entsprechende konträre Anstellung der Wasserkraftturbine zur Verfügung stellt. Dies kann auch in einer Reduktion der grundsätzlichen Anstellung der Wasserkraftturbine gewährleistet sein. Dies führt weiter dazu, dass die Wasserkraftturbine, die auf diese Weise instabil gewordene Kraftgleichgewichtssituation in der bisherigen Ankerposition verlässt und sich wieder in Richtung Ufer zurückbewegt. Dabei ist es denkbar, dass die Rückholvorrichtung die Rückholleine auch als Teil der Ankerleine beinhaltet. So kann ein Teil der Rückholleine durch die Ankerleine und ein Teil durch einen separaten Rückholnebenankerleinenabschnitt zur Verfügung gestellt werden. Auch kann ein Teil der Ankerleine oder ein Teil eines Nebenankerleinenabschnitts mit einem Überlastmechanismus zur Verfügung gestellt werden, welcher bei hoher Fließgeschwindigkeit und entsprechend hohen Kräften automatisch ausklinkt und damit zwischen Anstellvorrichtung auf Rückholvorrichtung umschaltet. Auch eine Anordnung des Rückholpunkts auf der gegenüberliegenden Seite bezogen auf die Durchströmungsrichtung der Wasserkraftturbine und bezogen auf den ersten Ankerpunkt ist im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine die Ankervorrichtung, insbesondere die Rückholleine, eine Variationsvorrichtung für die Variation der Länge wenigstens eines Abschnitts der Rückholleine aufweist, für eine Variation zwischen einer größeren und einer kleineren Länge der Rückholleine bezogen auf die Länge der Ankerleine. Dies beschreibt ein Umschalten zwischen der Anstellsituation und der Rückholsituation. Insbesondere erfolgt hier ein digitales Umschalten, so dass zwischen einer ersten Länge und einer zweiten Länge explizit umgeschaltet werden kann. Dies kann insbesondere in manueller Weise variiert werden. Zum Beispiel können am Anker unterschiedliche Längen befestigt sein, so dass eine solche Variationsvorrichtung in kostengünstiger und einfacher Weise zur Verfügung gestellt ist.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine diese Wasserkraftturbine ausgebildet ist mit einer Auftriebskraft im fließenden Gewässer im Verhältnis zur Gewichtskraft im Bereich zwischen ca. 1 und ca. 2. Ein entsprechend geringerer Unterschied kann bevorzugt sein, insbesondere im Bereich zwischen 1 und ca. 1,1 oder 1,2. Dies führt zu einem verbesserten Hochwasserschutz, da ein geringer Unterschied ein erleichtertes und vor allem früheres Abtauchen bei stärkerer Strömungsgeschwindigkeit zur Folge hat. Eine Abtauchfunktion kann durch entsprechende zusätzliche Flügel oder Anströmflächen noch weiter unterstützt werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine eine Auftriebsvorrichtung vorgesehen ist, aufweisend zumindest zwei wenigstens teilweise mit Gas gefüllt Hohlkammern, welche auf zwei unterschiedlichen Seiten der Turbine entlang der Durchströmungsrichtung durch die Wasserkraftturbine angeordnet sind. Eine derartige Ausführung kann auch durch Füllung mit Schaum oder einem anderen Material mit einer Dichte, welcher geringer als die Dichte von Wasser ist, ausgebildet sein. Dabei weist die Auftriebsvorrichtung wenigstens eine Auftriebskammer auf, welche variabel mit Gas oder Wasser füllbar ist. Die beiden Hohlkammern sind also kontinuierlich und damit ständig mit Gas gefüllt und definieren damit die Auftriebssituation und damit die Auftriebskraft der Wasserkraftturbine. Eine Auftriebskammer ist wiederum variabel und kann damit hinsichtlich der durch sie erzeugten Auftriebskraft und Gewichtskraft verändert werden. Wird Luft in die Auftriebskammer hineingepresst, reduziert sich die Gewichtskraft, wodurch sich der Gesamtauftrieb der Wasserkraftturbine erhöht. Im umgekehrten Fall wird ein Fluten der Auftriebskammer zu einer Reduktion des Auftriebs führen. Eine solche Auftriebsvorrichtung kann nun in Kombination mit der Rückholvorrichtung Vorteile mit sich bringen. So kann vor dem Rückholen oder während dem Rückholen die Auftriebskammer mit Gas gefüllt und das darin enthaltene Wasser verdrängt werden. Dadurch hebt sich die Wasserkraftturbine an und steigt insbesondere zumindest teilweise über die Oberfläche des fließenden Gewässers an. Insbesondere sind die beiden Hohlkammern dafür auf beiden Seiten der Wasserkraftturbine angeordnet. Die Auftriebskammer kann zum Beispiel durch einen entsprechenden Leerraum innerhalb des Gehäuses zur Verfügung gestellt werden. Eine Anordnung der beiden Auftriebskammern auf gleicher Höhe führt zu einem symmetrischen bzw. kippfreien Anheben der Wasserkraftturbine. Insbesondere bei fließenden Gewässern mit flachen Uferbereichen kann auf diese Weise ein noch weiteres Annähern der Wasserkraftturbine während des Rückholvorgangs an das Ufer erzielbar sein. Auch werden unerwünschte Beschädigungen im Uferbereich im Flachwasser vermieden. Nicht zuletzt wird das starke Anheben einen erleichterten Zugang für Wartungstätigkeiten oder Reinigungstätigkeiten zum Ergebnis haben.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wasserkraftvorrichtung die Auftriebsvorrichtung eine zumindest teilweise mit Gas gefüllte Stabilisierungskammer aufweist, welche umfänglich zwischen den beiden Hohlkammern, insbesondere oberhalb der Turbine angeordnet ist. Diese dient einer Stabilisierung Unterwasser in der Einsatzsituation. Insbesondere bei symmetrisch auf beiden Seiten der Wasserkraftturbine angeordneten Hohlkammern kann eine Rotation nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Um insbesondere hinsichtlich positiver Strömungsverhältnisse eine definierte Ausrichtung hinsichtlich oben und unten vorzusehen, ist die Stabilisierungskammer vorzugsweise auf der oberen Seite oberhalb der Turbine angeordnet. Neben einer verbesserten Wasserlage führt im Hochwasserfall dies dazu, dass die Stabilisierungskammer als erstes aus dem fließenden Gewässer auftaucht. Durch das Auftauchen verliert die Stabilisierungskammer ihr hohes Auftriebsverhältnis in Bezug zur niedrigen Gewichtskraft, so dass die Turbine geschützt unter der Wasseroberfläche verbleibt.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Anordnung einer Wasserkraftturbine, insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung, in einer Ankerposition in einem fließenden Gewässer, aufweisend die folgenden Schritte:

– Befestigen eines Ankers einer Ankervorrichtung am seitlichen Ufer des fließenden Gewässers,
– Befestigen einer Ankerleine der Ankervorrichtung mit einem ersten Ende an einem ersten Ankerpunkt an der Wasserkraftturbine und mit einem zweiten Ende an dem Anker,
– Einsetzen der Wasserkraftturbine in das fließende Gewässer vom seitlichen Ufer.

Das Einsetzen kann zum Beispiel mithilfe eines Krans oder einer anderen Maschine, also einem Bagger, einem Schaufellader oder einer Gabel eines Traktors erfolgen. Dafür ist kein weiterer Ausleger mehr notwendig, da das Einsetzen der Wasserkraftturbine im Uferbereich erfolgen kann. Durch das Loslassen nach dem Einsetzen erfolgt ein Abtreiben in die Ankerposition durch das entsprechende Anstellen und die bereits mehrfach erläuterte, erzeugte Lateralkraft. Jedoch kann auch zusätzlich eine aktive Unterstützung dieser Bewegung erfolgen, um zum Beispiel Kehrwasserzonen im Uferbereich zu überbrücken.
Damit werden durch ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile erzielt, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Wasserkraftturbine erläutert worden sind.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für das Rückholen einer Wasserkraftturbine, insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung, aus einer Ankerposition in einem fließenden Gewässer, in welcher die Wasserkraftturbine insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Einsetzverfahren angeordnet worden ist, an das Ufer des fließenden Gewässers, aufweisend die folgenden Schritte:

– Spannen einer Rückholleine einer Rückholvorrichtung einer Ankervorrichtung,
– Lösen der Spannung einer Ankerleine der Ankervorrichtung.

Durch die beschriebene Längenvariation zwischen Ankerleine und Rückholleine wird hier eine Relation der Kräfte verändert. Die Längen, und damit die Geometrien, führen zu einer veränderten Kraftsituation und damit zu einer Erzeugung einer Lateralkraft in Richtung des Ufers. Somit wird im umgekehrten Verfahren gemäß des Einsetzens nun ein Bewegen der Wasserkraftturbine in Richtung des Ufers möglich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
1 eine erste Darstellung einer erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine im Einsatz in Draufsicht,
2 die Situation in Draufsicht nach dem Einsetzen,
3 die Situation während der Bewegung in die Ankerposition,
4 die Situation nach Erreichen der Ankerposition,
5 eine Situation vor Aktivierung einer Rückholvorrichtung,
6 die Situation nach Aktivieren der Rückholvorrichtung,
7 die Situation während des Rückholvorgangs,
8 in Draufsicht eine mögliche Anbindung einer Wasserkraftturbine und
9 die Ausführungsform der 8 in seitlicher Darstellung.
1 zeigt schematisch, wie eine Wasserkraftturbine 10 in einem fließenden Gewässer 100 angeordnet sein kann. Die Wasserkraftturbine 10 ist mit einem Gehäuse 20 versehen, in dessen Innerem eine Turbine 30 und ein Stromgenerator 40 vorgesehen sind. Hier ist eine Ankervorrichtung 50 vorgesehen, mit einem entsprechenden Anker 58 am Ufer 110 des fließenden Gewässers 100. Auch ist dargestellt, wie die Ankervorrichtung 50 eine Ankerleine 60 aufweist, welche sich in Richtung der Wasserkraftturbine 10 bzw. des Gehäuses 20 verteilt auf zwei Nebenankerleinenabschnitte 62 und 64. Diese beiden Nebenankerleinenabschnitte 62 und 64 sind an entsprechenden ersten und zweiten Ankerpunkten 52 und 54 angeordnet. In der hier dargestellten Ankerposition AP befinden sich die einzelnen Winkel und damit die gesamte Geometrie im Kräftegleichgewicht. Entscheidend sind dabei der Ankerwinkel α, der Anstellwinkel β und der Leinenwinkel ε.
Wie der 1 zu entnehmen ist, erfolgt eine Anstellung des Anstellwinkels β zwischen der Durchströmungsrichtung DR und der Strömungsrichtung SR. Damit ist bei dieser Lösung die komplette Wasserkraftturbine 10 angestellt zur Erzeugung der mehrfach erläuterten Lateralkraft. Selbstverständlich sind jedoch auch einzelne Anströmflächen vorsehbar, um diese Anstellfunktion und damit die automatische Bewegung zur Verfügung stellen zu können.
Die 2 bis 4 zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren beim Einsetzen. So erfolgt das Verankern der Ankervorrichtung 50 mit der Ankerleine 60 am Ufer 110 und anschließend das Einsetzen der Wasserkraftturbine 10. In 2 ist dargestellt, wie die Anstellung zu einem Kraftungleichgewicht führt, wodurch dem Kraftungleichgewicht folgend eine Lateralkraft, dargestellt mit einem Pfeil nach oben in 2, die Wasserkraftturbine 10 in Richtung der Mitte des fließenden Gewässers 100 bewegt. Das Ende der Bewegung ist in 4 dargestellt, welche dementsprechend die eingenommene Ankerposition AP der Wasserkraftturbine 10 darstellt.
Die 5 bis 7 zeigen eine Möglichkeit einer automatischen Rückholung der Wasserkraftturbine 10. Hier ist eine Rückholvorrichtung 90 vorgesehen, mit einer eigenen Rückholleine 94. Die Rückholleine 94 ist an einem entsprechenden Rückholpunkt 92, hier mittig an der Wasserkraftturbine 10 angeordnet. Erfolgt in der Einsatzsituation gemäß der 5 nun ein Spannen der Rückholleine 94, zum Beispiel mithilfe einer entsprechenden Variationsvorrichtung 80, wird die Ankerleine 60 entlastet. Dies zeigt die 6. Dadurch ändert sich die geometrische Situation und das damit sich einstellende Kraftungleichgewicht bewegt nun die gesamte Wasserkraftturbine wieder zurück ans Ufer 110 des fließenden Gewässers 100, wie dies in 7 gezeigt ist.
Die 8 und 9 zeigen nochmals eine Möglichkeit unterschiedlicher Anbindungen. So ist hier gut zu erkennen, dass insbesondere an zwei unteren Stellen entsprechende erste Ankerpunkte 52 bzw. ein dritter Ankerpunkt 56 vorgesehen sein können. Selbstverständlich ist der dritte Ankerpunkt auch am oberen Ende oberhalb der Mitte und damit oberhalb der Durchströmungsrichtung DR sowie der Mitte der Durchströmungsrichtung MDR anordenbar. Auch sind hier entsprechend die Gehäuseteile dargestellt, welche das Gehäuse 20 mit entsprechenden Auftrieben versehen.
Alternativ zur Ausführungsform der 8 und 9 sind auch deutlich einfachere Ausführungsformen denkbar, welche insbesondere ohne umgebendes Gehäuse 20 ausgebildet sind. So kann beispielsweise an einem zentralen Zylinder eine Montage aller wesentlichen Systemkomponenten erfolgen, also insbesondere der Turbine 30 und des Stromgenerators 40.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Wasserkraftturbine
20: Gehäuse
22: Auftriebsvorrichtung
24: Hohlkammer
26: Auftriebskammer
28: Stabilisierungskammer
30: Turbine
40: Stromgenerator
50: Ankervorrichtung
52: erster Ankerpunkt
54: zweiter Ankerpunkt
56: dritter Ankerpunkt
58: Anker
60: Ankerleine
62: Nebenankerleinenabschnitt
64: Nebenankerleinenabschnitt
66: Nebenankerleinenabschnitt
70: Anstellvorrichtung
72: Anströmfläche
80: Variationsvorrichtung
90: Rückholvorrichtung
92: Rückholpunkt
94: Rückholleine
100: Gewässer
110: Ufer
AP: Ankerposition
SR: Strömungsrichtung
DR: Durchströmungsrichtung
MDR: Mitte der Durchströmungsrichtung
α: Ankerwinkel
β: Anstellwinkel
ε: Leinenwinkel

Claims

Wasserkraftturbine (10) für den Einsatz in einem fließenden Gewässer (100) zur Erzeugung von elektrischem Strom, aufweisend ein Gehäuse (20), eine Turbine (30), einen mit der Turbine drehmomentübertragend verbundenen Stromgenerator (40) und eine Ankervorrichtung (50) für die Verankerung der Wasserkraftturbine (10) in einer Ankerposition (AP) im fließenden Gewässer (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtung (50) zumindest einen ersten Ankerpunkt (52) und wenigstens eine am ersten Ankerpunkt (52) befestigte Ankerleine (60) für eine seitliche Befestigung am Ufer (110) des fließenden Gewässers (100) aufweist, wobei eine Anstellvorrichtung (70) vorgesehen ist für die Erzeugung einer seitlichen Anstellung zumindest eines Teils der Wasserkraftturbine (10) zur Strömungsrichtung (SR) des Gewässers (100).
Wasserkraftturbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstellvorrichtung (70) eine Anströmfläche (72) aufweist, welche einen spitzen Anstellwinkel zur Durchströmungsrichtung (DR) durch die Wasserkraftturbine (10) aufweist.
Wasserkraftturbine (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstellvorrichtung (70) wenigstens teilweise durch eine asymmetrische seitliche Anordnung des zumindest einen ersten Ankerpunktes (52) an der Wasserkraftturbine (10) mit Bezug auf die Durchströmungsrichtung (DR) der Wasserkraftturbine (10) ausgebildet ist.
Wasserkraftturbine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtung (50) zumindest ein zweiten Ankerpunkt (54) aufweist, welcher insbesondere symmetrisch an der Wasserkraftturbine (10) mit Bezug auf die Durchströmungsrichtung (DR) der Wasserkraftturbine (10) angeordnet ist, wobei die Ankerleine (60) zumindest zwei Nebenankerleinenabschnitte (62, 64) aufweist, deren erste Enden an dem jeweiligen Ankerpunkt (52, 54) befestigt sind und deren zweite Enden miteinander befestigt sind.
Wasserkraftturbine (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtung (50) zumindest einen dritten Ankerpunkt (56) aufweist, welcher oberhalb der Mitte (MDR) der Durchströmungsrichtung (DR), insbesondere symmetrisch zur Durchströmungsrichtung (DR) der Wasserkraftturbine (10) angeordnet ist.
Wasserkraftturbine (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtung (50), insbesondere die Ankerleine (60), eine Variationsvorrichtung (80) für die Variation der Länge wenigstens eines Abschnitts der Ankerleine (60) aufweist.
Wasserkraftturbine (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtung (50) eine Rückholvorrichtung (90) aufweist mit einem Rückholpunkt (92) und einer am Rückholpunkt (92) befestigten Rückholleine (94), wobei der zumindest eine erste Ankerpunkt (52) seitlich außerhalb des Rückholpunkts (92) angeordnet ist.
Wasserkraftturbine (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankervorrichtung (50), insbesondere die Rückholleine (94), eine Variationsvorrichtung (80) für die Variation der Länge wenigstens eines Abschnitts der Rückholleine (94) aufweist, für eine Variation zwischen einer größeren und einer kleiner Länge der Rückholleine (94) bezogen auf die Länge der Ankerleine (60).
Wasserkraftturbine (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkraftturbine (10) ausgebildet ist mit einer Auftriebskraft im fließenden Gewässer (100) im Verhältnis zur Gewichtskraft im Bereich zwischen ca. 1 und ca. 2.
Wasserkraftturbine (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auftriebsvorrichtung (22) vorgesehen ist, aufweisend zumindest zwei wenigstens teilweise mit Gas gefüllte Hohlkammern (24), welche auf zwei unterschiedlichen Seiten der Turbine (30) entlang der Durchströmungsrichtung (DR) durch die Wasserkraftturbine (10) angeordnet sind, wobei die Auftriebsvorrichtung (22) wenigstens eine Auftriebskammer (26) aufweist, welche variabel mit Gas oder mit Wasser füllbar ist.
Wasserkraftturbine (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebsvorrichtung (22) eine zumindest teilweise mit Gas gefüllte Stabilisierungskammer (28) aufweist, welche umfänglich zwischen den beiden Hohlkammern (24), insbesondere oberhalb der Turbine (30), angeordnet ist.
Verfahren für die Anordnung einer Wasserkraftturbine (10), insbesondere mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11, in einer Ankerposition (AP) in einem fließenden Gewässer (100), aufweisend die folgenden Schritte: – Befestigen eines Ankers (58) einer Ankervorrichtung (50) am seitlichen Ufer (110) des fließenden Gewässers (100), – Befestigen einer Ankerleine (60) der Ankervorrichtung (50) mit einem ersten Ende an einem ersten Ankerpunkt (52) an der Wasserkraftturbine (10) und mit einem zweiten Ende an dem Anker (58), – Einsetzen der Wasserkraftturbine (10) in das fließende Gewässer (100) vom seitlichen Ufer (110).
Verfahren für das Rückholen einer Wasserkraftturbine (10), insbesondere mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11, aus einer Ankerposition (AP) in einem fließenden Gewässer (100), in welcher die Wasserkraftturbine (10) insbesondere durch ein Verfahren nach Anspruch 12 angeordnet worden ist, an das Ufer (110) des fließenden Gewässers (100), aufweisend die folgenden Schritte: – Spannen einer Rückholleine (92) einer Rückholvorrichtung (90) einer Ankervorrichtung (50), – Lösen der Spannung einer Ankerleine (60) der Ankervorrichtung (50).