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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Staumauerdurchgängigkeitssystem für Wasserkraftwerke, wobei für vorhandene oder neu zu errichtende Staumauern für Strömungsgewässer, in Verbindung mit Staumaueröffnungen, zur Vorder- und/oder Rückseite trichterförmige Vorrichtungen mit Strömungskanälen, in Verbindung mit Strömungskonzentratoren eingesetzt werden, zur Weiterleitung des aufgestauten Wassers an ein dahinter liegendes Wasserkraftwerk und wobei zur Durchgängigkeit von Geschiebe, Flora und Fauna ein Durchgängigkeitstrichter und eine Fischaufstiegshilfe zum Einsatz kommen.
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Staumauern wurden in den zurückliegenden Jahren, neben der Nutzung zur Stromgewinnung, auch deshalb errichtet, um die Strömungsgeschwindigkeit der Flüsse zu regulieren und die Flussbettauswaschungen mit den nachteiligen Auswirkungen für die Flussbettlandschaft zu stoppen. Hierbei wurden zum Großteil die Anforderungen an die Durchgängigkeit bei Strömungsgewässern nicht berücksichtigt.
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Mit den Staumauern und dem damit verbundenen Aufstau der Strömungsgewässer wurde gleichzeitig ein gewaltiges und umweltfreundliches Energiepotenzial geschaffen, das im Rahmen der Energiewende, ohne große zusätzliche Eingriffe in die Landschaft und ohne große Investitionsaufwendungen, einen wertvollen Beitrag zur umweltverträglichen Stromgewinnung leisten kann. Hierbei sind jedoch die heutigen Anforderungen und gesetzlichen Bestimmungen zur Durchgängigkeit für Flora, Fauna und dem natürlichen Gewässergeschiebe zu berücksichtigen, hier vor allem Hilfen für den Fischaufstieg. Die Erfüllung der Durchgängigkeitsanforderungen ist Voraussetzung für den Betrieb neuer Wasserkraftwerke bei den Strömungsgewässern.
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Klassische Wasserkraftwerke nutzen die mit dem Aufstau vorhandene Energie durch Laufwasserkraftwerke, wobei die Turbinen auf Fallhöhe an der Staumauer und nach dem Schluckvermögen ausgelegt sind. Nach dem Stand der Technik ist für Laufkraftwerke eine Fallhöhe an den Staumauern von mindestens 2,00 Meter zur wirtschaftlichen Stromerzeugung erforderlich. Diese erforderliche Fallhöhe ist bei einem großen Teil der vorhandenen Staumauergewässer nicht vorhanden. Damit wird ein gewaltiges und umweltfreundliches Energiepotenzial für die Stromgewinnung bisher nicht genutzt.
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Durch die
DE 10 2010 018 806 A1 ist ein Staumauerdurchgängigkeitssystem für Wasserkraftwerke, zum Einsatz bei vorhandenen oder neu zu errichtenden Staumauern in Strömungsgewässern bekannt, wobei Öffnungen an der Staumauer angebracht sind. Dort wird aufgestautes Wasser einem Wasserkraftwerk zur Stromerzeugung zugeführt.
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Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist es, eine Lösung zu finden, mit der das große Energiepotential des aufgestauten Wassers in den Staumauergewässern mit einer Fallhöhe unter 2 Meter genutzt werden kann und womit gleichzeitig die Anforderungen zur Durchgängigkeit der Strömungsgewässer für Flora, Fauna und dem natürlichen Gewässergeschiebe praktikabel gelöst werden können. Dabei soll für den Fischaufstieg an der Staumauer eine Hilfe einbezogen werden.
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Die Lösung für das vorgehend aufgezeigte Problem bietet das Staumauerdurchgängigkeitssystem für Wasserkraftwerke nach dem Anspruch 1. Hierzu werden bei vorhandenen oder neu zu errichtenden Staumauern Öffnungen vorgenommen. Zur Nutzung des vorhandenen Energiepotentials werden trichterförmige Vorrichtungen vor und/oder hinter den Staumaueröffnungen angebracht, mit denen aufgestautes Wasser über Strömungskanäle an dahinterliegende Wasserkraftwerke zur Stromgewinnung zugeführt wird. Für den Staumauerdurchlass von Geschiebe, Flora und Fauna werden zur Vorderseite der Staumaueröffnung rechteckige Trichtervorrichtungen angebracht, mit einer Vorrichtung zur stufenweisen Öffnung und Schließung und mit einem Schutzgitter für Treibgut und zur Rückseite mit einer Rampe zum Unterwasser. Daneben sind Hilfen für den Fischaufstieg vorgesehen.
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Grundelemente der Erfindung sind trichterförmige Vorrichtungen in mehreren Ausführungen zur Nutzung des aufgestauten Energiepotenzials der Staumauergewässer. Hierzu wird das Wasser der Staumauergewässer mit Staumauertrichtern erfasst und über Strömungskanäle mit Konzentratoren an dahinter liegende Wasserkraftwerke weitergeleitet. Gleichzeitig werden mit trichterförmigen Vorrichtungen die erforderliche Durchgängigkeit für Geschiebe, Flora und Fauna sichergestellt. Und für die erforderlichen Fischaufstiegshilfen bei Staumauergewässern werden ebenfalls trichterförmige Vorrichtungen eingesetzt.
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Zur Nutzung der hydrostatischen Energie am Boden der Staumauergewässer kommt für das Staumauerdurchgängigkeitssystem für Wasserkraftwerke eine rechteckige Trichtervorrichtung als horizontaler Staumauertrichter zum Einsatz, der horizontal vor einer Staumaueröffnung, am Boden eines Strömungsgewässers, zur Vorderseite der Staumaueröffnung abgebracht wird, wobei rückseitig von der Mitte der rechteckigen Trichtervorrichtung ein Strömungskanal am Boden des Staumauergewässers durch die Staumaueröffnung führt. Die hiermit erfasste Gewässerströmung wird im horizontal verlaufenden Strömungskanal des Staumauertrichters, zur Rückseite der Staumauer, einem Wasserkraftwerk zur Stromerzeugung zugeführt. Mit einer vertikal verlaufenden Schließvorrichtung, die zur Vorderseite angebracht ist und mit einem Schwimmbalken an der Oberseite, wird beim Unterschreiten der vorgesehenen Mindestpegelhöhe der Strömungskanal geschlossen. Mit einer schwimmfähigen Balkenvorrichtung zur Oberseite der vertikal verlaufenden Schließvorrichtung, die in der Höhe so erstellt wird, dass beim Unterschreiten der vorgesehenen Mindestpegelhöhe des Staumauergewässers der horizontale Staumauertrichter zur Vorderseite geschlossen wird, kann festgelegt werden, ab welcher Wasserhöhe die Wasserentnahme für den horizontalen Staumauertrichter eingestellt werden soll. Vor dem horizontalen Staumauertrichter wird ein herausziehbares Schutzgitter mit Ablageboden angebracht.
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Zur Nutzung der Wasserfallhöhe an den Staumauern kommt ein vertikaler Staumauertrichter zum Einsatz, wozu eine rechteckige Trichtervorrichtung, die hinter einer Staumaueröffnung, vertikal in der oberen Hälfte der Staumauer abgebracht wird und die an der Vorderseite ein Schutzgitter erhält. Hierbei wird die rechteckige Trichtervorrichtung an der Oberseite zusätzlich mit einem Aufsatz für einen Fallschacht versehen, der mit der Seite zur Staumaueröffnung offen ist und wobei mit einem zur Mitte der Unterseite der rechteckigen Trichtervorrichtung angebrachten, vertikal verlaufenden Strömungskanal, der am unteren Ende bogenförmig in einen horizontal verlaufenden Strömungskanal übergeht, das hiermit erfasste Wasser einem Wasserkraftwerk zur Stromerzeugung zugeführt wird.
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Zur Regulierung des Wasserabflusses bei den vertikal angebrachten Staumauertrichtern wird eine Schwimmvorrichtung für Staumaueröffnungen angebracht, wobei an der Staumauer eine rechteckige Öffnung, von oben beginnend, bis zur vorgesehenen minimalen Pegelhöhe nach unten geführt wird. Beiderseits der Staumaueröffnung werden vertikale Führungsschienen angebracht, für eine sich vertikal bewegende, schwimmfähige Schiebeplatte, die die gesamte Öffnung der Staumauer abdeckt, mit einer schwimmfähigen Balkenvorrichtung zur Oberseite. Die Schiebeplatte erhält eine Aussparung als Abflussöffnung für die vorgesehene Wasserabgabemenge. Bei Änderung des Wasserstandes im Staumauergewässer wird die Schiebevorrichtung mit der Abflussöffnung mit dem Wasserspiegel schwimmend vertikal mitbewegt, womit die Abgabe der Wassermenge über die Abflussöffnung auch bei schwankenden Wasserständen des Staumauergewässers bis zur vorgesehenen minimalen Pegelhöhe beibehalten wird. Beim Erreichen der Mindestpegelhöhe wird damit die Wasserabgabe für den vertikalen Staumauertrichter gestoppt.
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Zusätzlich kommt noch ein Hybridstaumauertrichter zum Einsatz, wobei der Strömungskanal einer vertikal angebrachten Trichtervorrichtung, von oben kommend, seitlich mit dem Strömungskanal einer horizontal angebrachten Trichtervorrichtung verbunden wird, wobei dann mit dem horizontal verlaufenden Strömungskanal zur Rückseite der Staumauer die hiermit verstärkte Strömung einem Wasserkraftwerk zur Stromerzeugung zugeführt wird.
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Mit einem Strömungskonzentrator, bei dem mehrere Strömungskanäle einer rechteckigen Trichtervorrichtung in einem horizontal und/oder vertikal verlaufenden Hauptströmungskanal einmünden, wird die hiermit konzentrierte Strömung über einen Hauptströmungskanal einem Wasserkraftwerk zur Stromerzeugung zugeführt.
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Für den Fall, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal für das Wasserkraftwerk reduziert werden muss, wird der Strömungskanal oder Hauptströmungskanal vor der Zuführung zur Turbine eines Kraftwerks im Querschnitt kegelförmig erweitert. Damit kann die Strömungsgeschwindigkeit infolge der Diffusorwirkung im Strömungskanal für das anschließende Wasserkraftwerk gezielt reduziert werden.
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Zum Durchlass von Geschiebe, Flora und Fauna wird vor einer Staumaueröffnung am Gewässergrund eine rechteckige Trichtervorrichtung horizontal angebracht, die zur Rückseite offen ist. Die Trichtervorrichtung wird mit einer horizontal verlaufenden Schließvorrichtung zur Rückseite versehen, womit die Staumaueröffnung zur Rückseite damit horizontal stufenweise oder auch ganz geöffnet und geschlossen werden kann. Zur Vorderseite der Trichtervorrichtung wird ein heraushebbares Schutzgitter für Treibgut angebracht und zur Rückseite der Staumaueröffnung eine Rampe zum Transport für das Geschiebe in das dahinter liegendem Unterwasser. Mit der Trichterform zur Vorderseite wird der Geschiebelauf zur Maueröffnung hin eingeengt und damit eine kleinere Staumaueröffnung für den Durchlass benötigt.
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Als Hilfe für den Fischaufstieg wird eine rechteckige horizontale Trichtervorrichtung in eine Staumaueröffnung eingebaut, wobei die Trichtervorrichtung einen rechteckigen Eingangstrichter zur Vorderseite und einen rechteckigen Ausgangstrichter zur Rückseite hat, der als Diffusortrichter ausgebildet ist. Mit dem Diffusortrichter wird die Strömung reduziert und damit der Fischaufstieg erleichtert. Zur Rückseite der Staumauer wird als Fischaufstiegshilfe ein rinnenförmiges Bauwerk angebracht, mit querverlaufenden Zwischenwänden, die an wenigstens einer Außenseite verkürzt sind und mit mehreren eckigen Strömungsbremsklötzen an den beiden Innenseiten versehen sind.
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Zur Ausbildung einer Lockströmung für die Fischaufstiegshilfe wird ein horizontaler Stautrichter zur Vorderseite einer Staumaueröffnung und in Bodennähe des Staumauergewässers angebracht, wobei rückseitig von der Mitte der rechteckigen Trichtervorrichtung ein Strömungskanal durch eine Staumaueröffnung geführt wird. Die im Stautrichter erfasste Gewässerströmung wird über den Strömungskanal einer Fischaufstiegshilfe seitlich als Lockströmung zugeführt.
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Die Fischaufstiegshilfe an einer Staumaueröffnung, zur Rückseite der Staumauer, kann auch in Verbindung mit einer Strömungsrampe auf dieser oder neben dieser angebracht werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Eine maßstabgenaue Darstellung kommt hierbei nicht zur Anwendung.
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Es zeigen:
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1 einen horizontalen Staumauertrichter im horizontalen Querschnitt
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2 Vorderseite der horizontalen Staumauertrichteranlage mit Schutzgitter und Schließvorrichtung
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3 einen vertikalen Staumauertrichter im vertikalen Querschnitt
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4 Vorderseite der Durchlassöffnung mit Schwimmvorrichtung für den vertikalen Staumauertrichter
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5 eine Hybridstaumauertrichteranlage im vertikalen Querschnitt
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6 Diffusor mit horizontalem Staumauertrichter im horizontalen Querschnitt
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7 Konzentrator für Strömungskanäle in Baumstruktur
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8 Konzentrator für Strömungskanäle mit horizontalem Hauptkanal
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9 Durchgängigkeitsanlage mit Staumauerrampe
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10 Diffusortrichter für Fischaufstiegshilfe
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11 Fischaufstiegshilfe mit Lockströmungskanal
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12 eine Staumauerrampe mit einer seitlich angeordneten Fischaufstiegshilfe.
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Wie in 1 aufgezeigt, wird zur Nutzung des vorhandenen hydrostatischen Energiepotentials an der Staumauer 1 eine rechteckige Trichtervorrichtung 10 vor einer Staumaueröffnung 2 am Boden angebracht. Dabei wird die hiermit erfasste Strömung mit einem anschließenden, horizontal verlaufenden Strömungskanal 11, zur Rückseite der Staumauer 1, für ein anzuschließendes Wasserkraftwerk zur Verfügung gestellt.
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Der horizontale Staumauertrichter 10 wird, wie in 2 aufgezeigt, zur Vorderseite mit einer vertikalen Schließ- und Schutzvorrichtung 12 versehen. Hierzu werden zwei Führungsschienen 15 angebracht, in die eine Schiebeplatte 23 eingehängt ist, mit einem Schwimmbalken 24 an der Oberseite, womit beim Unterschreiten der vorgesehenen Mindestpegelhöhe der Staumauertrichter 11 geschlossen wird. Die Vorderseite ist mit einem Schutzgitter 13 gegen Treibgut versehen. Das Schutzgitter 13 ist am Boden mit einer horizontalen Ablage 14 versehen, für ankommendes Treibgut und kann zur Reinigung aus den Führungsschienen 15 herausgehoben werden. Mit einer schwimmfähigen Balkenvorrichtung 24 zur Oberseite der vertikal verlaufenden Schließ- und Schutzvorrichtung 12 und einer vertikal beweglichen Schiebeplatte 23, die in der Höhe so erstellt wird, dass beim Unterschreiten der vorgesehenen Mindestpegelhöhe des Staumauergewässers der horizontale Staumauertrichter 10 zur Vorderseite geschlossen wird, kann festgelegt werden, ab welcher Wasserhöhe die Wasserentnahme für den horizontalen Staumauertrichter eingestellt wird.
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Zur Nutzung der Wasserfallhöhe wird in einer weiteren Ausführung, wie in 3 dargestellt, der vertikale Staumauertrichter 20 hinter einer Staumaueröffnung 2 in der oberen Hälfte der Staumauer 1 angebracht, mit einem zur Unterseite des Staumauertrichters 20 angebrachten, zunächst vertikal verlaufenden Strömungskanal 21, der dann zum unteren Ende der Staumauer 1 hin bogenförmig verläuft und anschließend im horizontalem Verlauf 11 die hiermit erfasste Strömung für ein anzuschließendes Strömungskraftwerk zur Verfügung stellt. Hierbei wird der Staumauertrichter 20 an der Oberseite mit einem Aufsatz 28 versehen, der zur Seite der Staumaueröffnung 2 für den Wassereinlauf offen ist.
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4 zeigt eine Schließ- und Schutzvorrichtung 22 für vertikale Staumauertrichter 20. Zur Anpassung an den schwankenden Pegelstand des Staumauergewässers wird eine Staumaueröffnung 2, von oben beginnend, bis zur vorgesehenen minimalen Pegelhöhe nach unten geführt. Beiderseits der Staumaueröffnung 2 sind vertikal verlaufende Führungsschienen 15 angebracht, in die eine sich vertikal bewegende Schiebeplatte 23 eingefügt ist, die die gesamte Öffnung 2 der Staumauer 1 abdeckt und mit einer schwimmfähigen Balkenvorrichtung 24 zur Oberseite versehen ist. An der Schiebeplatte 23 wurde eine Aussparung als Abflussöffnung 25 für die vorgesehene Wasserabgabemenge vorgenommen. Bei Änderung des Wasserstandes im Staumauergewässer wird die Schiebeplatte 23 mit der Abflussöffnung 25 mit dem Wasserspiegel schwimmend vertikal mitbewegt. Damit wird die Abgabe der Wassermenge über die Abflussöffnung 25 auch bei schwankenden Wasserständen des Staumauergewässers nahezu beibehalten. Beim Ünterschreiten der vorgesehenen Mindestwasserhöhe wird der Wasserabfluss für den vertikalen Staumauertrichter 20 damit gestoppt. Ergänzend ist noch ein Schutzgitter 13 an der Abflussöffnung 25 angebracht.
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In einer weiteren Ausführung werden die Strömungskanäle 11, 21 des horizontal verlaufende Staumauertrichters 10 und des vertikal verlaufenden Staumauertrichters 20 zusammengeführt. Wie in 5 dargestellt, wird hierzu der horizontal verlaufende Staumauertrichter 10 vor einer Staumaueröffnung 2 am Boden vor der Staumauer 1 angebracht und der vertikal verlaufende Staumauertrichter 20 mit Trichteraufsatz 28 hinter einer Staumaueröffnung 2 in der oberen Hälfte der Staumauer 1. Der Strömungskanal 21 des vertikalen Staumauertrichters 20 wird am Boden seitlich mit dem Strömungskanals 11 des horizontalen Staumauertrichters 10 zusammengeführt, Mit der Zuführung des vertikalen Strömungskanals 21 wird die Strömungsgeschwindigkeit und die durchfließende Wassermenge im horizontal verlaufenden Strömungskanal 11 noch einmal kräftig verstärkt und damit eine wesentlich verstärkte Strömung für ein anzuschließendes Wasserkraftwerk zur Verfügung gestellt.
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6 zeigt einen Staumauerdiffusor 26 in einem horizontal verlaufenden Strömungskanal 11. Mit dem Staumauerdiffusor 26 kann der Strömungskanal 11, 21 der Staumauertrichter 10, 20 vor der Zuführung zur Turbine eines Wasserkraftwerks im Querschnitt erweitert werden und damit die Strömungsgeschwindigkeit infolge der Diffusorwirkung im Strömungskanal 11, 21 für das anzuschließende Wasserkraftwerk bei Bedarf gezielt reduziert werden.
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Wie in 7 und 8 aufgezeigt, werden mit einem Strömungskonzentrator 30, 31, mehrere Strömungskanäle 11, 21 von Staumauertrichtern 10, 20 in einem horizontal oder vertikal verlaufenden Hauptströmungskanal eines Strömungskonzentrators 30, 31 zusammengeführt. Die hiermit konzentrierte Strömung wird über einen Hauptströmungskanal 30, 31 einem Strömungskraftwerk zur Stromerzeugung zugeleitet. Der Strömungskonzentrator 30, 31 kann für horizontal und vertikal verlaufende Strömungskanäle 11, 21 eingesetzt werden. Hierzu wird, wie in 7 aufgezeigt, mit einer Baumstruktur die Strömung konzentriert und wie in 8 aufgezeigt, wie die Strömung mit einem horizontalen Hauptkanal.
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9 zeigt eine Durchgängigkeitsanlage 45 für Geschiebe an einer Staumauer 1. Hierzu wird vor einer Staumaueröffnung 2, am Boden des Staumauergewässers, zum Durchlass von Geschiebe, Flora und Fauna, eine rechteckige Trichtervorrichtung 41 horizontal angebracht, die zur Rückseite offen ist. Zur Vorderseite der Staumaueröffnung 2 kann eine Schließ- und Schutzvorrichtung 22, wie in 2 aufgezeigt, für Staumauertrichter angebracht werden. Die Trichtervorrichtung 41 wird zur Rückseite der Staumauer 1 mit einer horizontal und/oder vertikal verlaufenden Schließvorrichtung 42 versehen. Damit kann die Staumaueröffnung 2 zur Rückseite stufenweise oder auch ganz geöffnet und geschlossen werden.
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Zur Vorderseite ist ein heraushebbares Schutzgitter 43 mit weiten Gitterabständen für Treibgut angebracht. Zur Rückseite der Staumauerdurchgängigkeitsöffnung 2 ist eine Strömungsrampe 44 angebracht, zur Weiterleitung von Geschiebe, Flora und Fauna in das dahinter liegendem Unterwasser.
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10 zeigt einen horizontalen Staumauertrichter 10 mit rückseitigem Diffusortrichter 50. Das in eine Fischaufstiegshilfe fließende Wasser des Staumauergewässers ist stark druck- und strömungsbelastet. Mit dem Diffusortrichter 50 zur Rückseite der Staumaueröffnung wird für das abfließende Wasser die Strömungsgeschwindigkeit verringert. Für eine anschließende Fischaufstiegshilfe 51 ist dies ein großer Vorteil beim Fischaufstieg. Zudem kann mit dem Diffusortrichter 50 die Staumaueröffnung 2 für die Fischaufstiegshilfe kleiner gehalten werden und der Wasserabfluss wird damit verringert.
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11 zeigt eine Fischaufstiegshilfe 51, die an einer Staumaueröffnung 2 zur Rückseite der Staumauer 1, als rinnenförmiges Bauwerk angebracht wird, mit querverlaufenden Zwischenwänden 52, die an beiden Außenseiten verkürzt und mit mehreren eckigen Strömungsbremsklötzen 53 an den beiden Innenseiten. An einer Außenseite der Fischaufstiegsanlage 51 befindet sich ein Lockströmungsrohr 54, das vom Oberwasser zum Unterwasser führt, womit eine Lockströmung für die Fischaufstiegshilfe 51 erzeugt wird.
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12 zeigt eine Strömungsrampe 44 mit einer seitlich angeordneten Fischaufstiegshilfe 51. In einer anderen Kombination kann die Fischaufstiegshilfe 51 auch auf einer Strömungsrampe 44 aufgesetzt werden.
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Als Innovationsvorteile für das Staumauerdurchgängigkeitssystem für Wasserkraftwerke ergeben sich vor allem, dass bei vorhandenen Staumauergewässern die Durchgängigkeit für Flora, Fauna und Gewässergeschiebe wieder hergestellt werden kann, ohne dass hierzu das vorhandene Querbauwerk abgetragen werden muss. Zusätzlich kann auch noch das vorhandene Energiepotential zur umweltfreundlichen Stromgewinnung genutzt werden.
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Gleichzeitig kann mit dem Staumauerdurchgängigkeitssystem für Wasserkraftwerke bei neu zu errichtenden Querbauanlagen das vorhandene Energiepotential zur umweltfreundlichen Stromgewinnung genutzt werden und damit gleichzeitig die Durchgängigkeit des Gewässers für Flora, Fauna und Gewässergeschiebe sicher gestellt werden.
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Das Staumauerdurchgängigkeitssystem für Wasserkraftwerke kann auch bei Gewässerhöhen von unter 2,00 Meter eingesetzt werden, bei denen nach dem Stand der Technik noch keine Wasserkraftwerke eingesetzt werden. Damit kann zusätzlich ein großes und umweltfreundliches Energiepotential zur Stromgewinnung genutzt werden.
