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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk für niedrige Fallhöhen.
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Die Nutzung von Wasserkraftpotentialen im Niedriggefällebereich unter 2 m Fallhöhe wird oft aus wirtschaftlichen Gründen nicht ausgenützt. Die vorliegende Erfindung gibt ein Wasserkraftwerk für niedrige Fallhöhen an, das sich durch besonders niedrige Gestehungskosten und hohe Umweltverträglichkeit auszeichnet.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei niedrigen Fallhöhen sogenannte Hydro-Kompressoren zum Übertragen der hydrostatischen Energie von Wasser auf ein gasförmiges Medium verwendet werden können. Neben einem Damm oder Wehr zum Aufstauen des Wassers benötigen diese Kraftwerke nur eine Ansaugvorrichtung für Luft (z.B. in Form eines Rohres) und eine waagrechte Entgasungsstrecke, aus der das komprimierte Gas entnommen werden kann. Das komprimierte Gas kann direkt als Energiequelle verwendet werden oder über eine Arbeitsmaschine für gasförmige Medien der Stromerzeugung dienen (vgl. hierzu die
DE 37 24 351 C2 ).
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Bei Fließgewässern im Niedergefällebereich ergibt sich oft eine weitere Schwierigkeit dadurch, dass sowohl die Wassermenge als auch die Fallhöhe sehr großen Schwankungen unterliegen kann. Ein gattungsgemäßes Wasserkraftwerk sollte also bei solchen schwankenden Bedingungen effektiv arbeiten können.
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Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Anordnung für ein Wasserkraftwerk unter Verwendung eines Hydro-Kompressors anzugeben, das die genannte Schwierigkeit überwindet und dabei robust ist und niedrige Gestehungskosten verursacht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den davon abhängigen Unteransprüchen.
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Der Erfinder hat sich von dem Gedanken leiten lassen, den Hydro-Kompressor so zu gestalten, dass eine Einstellung der Durchflussmenge mit einfachen Mittel möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert.
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Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
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1 erfindungsgemäße Anordnung eines Wasserkraftwerks in einer ersten Ausführungsform;
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2 erfindungsgemäße Anordnung eines Wasserkraftwerks in einer zweiten Ausführungsform;
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3a Schema zur Erläuterung des Wirkprinzips der zweiten Ausführungsform;
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3b Schema zur Erläuterung des Wirkprinzips der zweiten Ausführungsform (7°gedreht).
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In 1 ist die erfindungsgemäße Anordnung eines Wasserkraftwerks stark schematisiert im Schnitt dargestellt. Dabei ist mit 1 eine Struktur zum Stauen eines Fließgewässers dargestellt. Dabei kann es sich um einen Damm, ein Wehr oder ähnliches handeln. Durch diese Struktur (1) wird das Fließgewässer in das sogenannte Ober- und Unterwasser geteilt. Der Wasserspiegel des Oberwassers ist mit 6 und der Wasserspiegel des Unterwassers ist mit 7 bezeichnet. Aus der Höhendifferenz zwischen diesen beiden Wasserspiegeln ergibt sich die Fallhöhe des Wasserkraftwerks. In Richtung Oberwasser ist der Staustruktur (1) ein sogenannter Regeldamm vorgelagert, der mit 2 bezeichnet ist. Der Regeldamm (2) kann vielfältig gestaltet sein. Seine Funktion besteht darin, zusammen mit der Staustruktur (1) den sogenannten Fallschacht zu bilden, welcher mit 11 bezeichnet ist. Das Wasser fließt vom Oberwasser durch den Fallschacht (11) zum Unterwasser. Dabei passiert das Wasser eine Luftmischeinrichtung, welche direkt am Eingang des Fallschachts angeordnet ist. In 1 befindet sich die Luftmischeinrichtung am oberen Ende des Regeldammes und ist mit 3 bezeichnet. Der Regeldamm (2) ist beweglich gelagert, so dass er die Weite des Fallschachtes (11) beeinflussen kann. Hierzu muss der Regeldamm (2) in horizontaler Richtung bewegt werden können. Bei niedrigem Wasserangebot würde der Regeldamm (2) in Richtung Staustruktur (1) bewegt werden, wodurch sich die Weite des Fallschachtes (11) verringert. Zur optimalen Ausnutzung der hydrostatischen Energie des Wassers ist es jedoch auch notwendig den Oberwasserspiegel (6) möglichst hoch zu halten. Hierdurch wird die Fallhöhe des Wasserkraftwerks beeinflusst. Bei verringerter Wasserzufuhr kann das dadurch erreicht werden, dass der Regeldamm (11) sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung bewegbar ist. Durch eine horizontale Bewegung des Regeldammes (2) kann die Weite des Fallschachtes (11) beeinflusst werden, durch eine vertikale Bewegung wird der Oberwasserspiegel (6) beeinflusst. Damit der Regeldamm nicht vom Wasser auf unerwünschten Wegen umgangen werden kann, wird der Regeldamm (2) durch Membranen (5) so abgedichtet, dass die erwünschte Beweglichkeit des Regeldammes (2) gegeben ist, das Wasser jedoch nur durch den Fallschacht (11) vom Oberwasser zum Unterwasser gelangen kann. Anstelle der Membranen (5) können auch andere geeignete Dichtungen verwendet werden (z.B. dünne Metallbleche). An die Staustruktur (1) Richtung Unterwasser schließt sich eine waagrechte Struktur an, die mit 10 bezeichnet ist. Diese bildet auf ihrer Unterseite das Luftausscheidebecken, welches mit 8 bezeichnet ist. In 1 ist das Luftausscheidebecken (10, 8) einteilig mit der Staustruktur (1) ausgebildet. Es kann sich dabei jedoch genauso gut um eine separate Baueinheit handeln.
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Die Funktionsweise des Wasserkraftwerks lässt sich folgendermaßen beschreiben: Wenn das Wasser an der Luftmischeinrichtung (3) vorbei fließt wird es mit Luftblasen angereichert. Diese werden vom Wasserstrom durch den Fallschacht (11) mitgerissen. Dabei wird die Luft praktisch isotherm verdichtet. Während das Wasser unterhalb des Luftausscheidebeckens (8) vorbeifließt, trennt sich die Luft vom Wasser und wird im Luftausscheidebecken (8) gesammelt. Damit möglichst viel Luft ausgeschieden werden kann, muss das Luftausscheidebecken (8) ausreichend lang sein. Die Luft im Luftausscheidebecken (8) steht unter Überdruck. Der Überdruck ist durch den Hydrostatischen Druck zwischen dem Unterwasserpegel (7) und dem Wasserspiegel (9) unterhalb des Luftausscheidebeckens (8) gegeben. Die so erzeugte Druckluft kann für alle denkbaren Anwendungen verwendet werden, insbesondere zur Erzeugung von elektrischer Energie mit Hilfe einer geeigneten Arbeitsmaschine für gasförmige Medien, die einen Generator antreibt (in 1 nicht gezeigt).
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Die Anpassung des Kraftwerks an ein wechselndes Wasserangebot kann folgendermaßen beschrieben werden: Steht wenig Wasser zur Verfügung, so sollte einerseits die Weite des Fallschachtes (11) verringert werden, damit das Wasser die Luftblasen effektiv mitnehmen kann, andererseits sollte die obere Kante des Regeldammes (3) erhöht werden, damit der Oberwasserpegel (6) auf einem möglichst hohen Niveau gehalten wird. Bei großem Wasserangebot muss die Weite des Fallschachtes (11) dagegen erweitert werden, damit alles Wasser den Schacht passiert und nicht über die Staustruktur hinwegfließt. Entsprechend muss die obere Kante des Regeldammes (3) erniedrigt werden. Beide Einstellungen können durch den horizontal und vertikal beweglichen Regeldamm (3) vorgenommen werden. In vielen Fällen wird sich für die beiden Bewegungsrichtungen ein linearer Zusammenhang ergeben. In diesem Fall kann der Regeldamm (3) über lineare Führungen von nur einem linearen Antrieb bewegt werden. Aber auch bei einem nicht linearen Zusammenhang können entsprechend gebogene Führungen und ein geeigneter Antrieb (z.B. ein Elektromotor mit einem Zahnradgetriebe) auf einfache Weise eingesetzt werden.
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Der im vorherigen Abschnitt beschriebene Zusammenhang zwischen Wasserangebot und den Regelgrößen des Regeldammes (
3) stellt jedoch nur einen möglichen Anwendungsfall (bei Fließgewässern) dar. Die erfindungsgemäße Anordnung kann jedoch auch für andere Anwendungsfälle z.B. für die Nutzung von Tidenströmungen verwendet werden (vgl. hierzu die
DE 37 24 351 C2 ). Bei einer abweichenden Anwendung werden sich daher in der Regel andere Zusammenhänge und Funktionsweisen für die Regelgrößen des Regeldammes (
3) ergeben. D.h. die Regelung des Regeldammes (
3) muss jeweils an die Besonderheiten des jeweiligen Anwendungsfalles angepasst werden. Es ist sogar denkbar, dass eine weitere Optimierungsmöglichkeit dadurch eingeführt wird, dass die Staustruktur (
1) beweglich gemacht wird.
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Beim Entspannen der komprimierten Luft aus dem Luftausscheidebecken (8) kühlt sich diese stark ab (Expansionskälte). Wir ein Generator zur Stromerzeugung und eventuelle auch ein Frequenzumrichter zum Einspeisen des Stroms ins Netz verwendet, so bietet es sich an, dass die komprimierte Luft aus dem Luftausscheidebecken (8) vor der Entspannung in der Arbeitsmaschine mit Hilfe der Abwärme von Generator und des eventuell vorhanden Frequenzumrichters erwärmt wird. Dadurch wir der Generator und der Frequenzumrichter gekühlt und da das zu expandierende Gas vorgewärmt ist, kühlt es sich bei der Expansion auf ein weniger niedriges Temperaturniveau ab. Hierzu können Arbeitsmaschine, Generator und Einspeiseelektronik in ein gemeinsames gasdichtes Gehäuse eingebaut werden, in welches die komprimierte Luft aus dem Luftausscheidebecken (8) eingeleitet wird. Nachdem die Luft vorgewärmt wurde, wird sie durch die Arbeitsmaschine aus dem Gehäuse herausgeführt. Das Gehäuse dient ferner der Schallisolation, da Arbeitsmaschinen für gasförmige Medien unter Umständen Lärm verursachen können.
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In 2 ist eine andere erfindungsgemäße Anordnung eines Wasserkraftwerkes dargestellt. Die Bezeichnungen entsprechen den Bezeichnungen von 1. In dieser Ausführungsform sind die Staustruktur (1) und der Regeldamm (2) als Segment eines spiralförmigen Zylinders ausgebildet. Die Zylinderachse verläuft senkrecht zu Zeichenebene. Die dargestellten gekrümmten Schnittflächen haben daher die Form eines Spiralsegments. Beide Spiralsegmente haben ungefähr dieselbe Geometrie und sind zueinander verschoben angeordnet, so dass sich zwischen Staustruktur (1) und Regeldamm (2) wiederum ein Fallschacht (11) mit annähernd homogener Weite ergibt. In dieser Ausführungsform ist der Fallschacht (11) gekrümmt. Wenigstens der Regeldamm (2) ist um die Achse (12) drehbar gelagert. Wird der Regeldamm (2) um die Achse (12) gedreht, so ändert sich sowohl die Weite des Fallschachtes (11) als auch die Lage der Regeldammkrone in vertikaler Richtung. Daher kann durch eine solche Drehung sowohl die Durchflussrate als auch der Oberwasserpegel (6) des Kraftwerks simultan geregelt werden. Dabei hängt das Ausmaß der Weitenänderung des Fallschachtes (11) von der Steigung der Spiralform der beiden Segmente ab.
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Zur Verdeutlichung sind in 3a und 3b jeweils zwei identische Spiralsegmente dargestellt. In 3b wurde das untere Segment um 7° gedreht. Man kann deutlich erkennen, dass sich dadurch der Abstand zwischen den Spiralsegmenten deutlich verringert hat, wobei sich keine erkennbare Inhomogenität der Spaltweite ergibt.
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Es ist jedoch zu erwähnen, dass im Allgemeinen die Homogenität der Spaltweite des Fallschachtes (11) keine notwendige Bedingung darstellt. Eine Inhomogenität kann durchaus tolerierbar oder sogar erwünscht sein (z.B. eine Verengung der Spaltweite in Wasserfließrichtung). Es ist durchaus denkbar, dass die Inhomogenität der Spaltweite in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluss durch eine geeignete Führung der Bewegung des Regeldammes (2) beeinflusst wird. Als Beispiel hierfür sei der Fall genannt, dass Staustruktur (1) und Regeldamm (2) plattenartig ausgebildet sind, und der Regeldamm (2) drehbar um eine geeignete Achse parallel zur Staustruktur (1) gelagert ist. Bei einer Drehung des Regeldammes (2) um diese Achse, wird sich die Homogenität der Spaltweite verändern.
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In 2 ist die Achse (12) in Richtung Oberwasser orientiert und die Segmente wölben sich in Richtung Unterwasser. Diese Anordnung kann genauso gut invertiert sein, d.h. die Achse (12) kann Richtung Unterwasser liegen und die Wölbung kann wie bei den bekannten Segmentwehren Richtung Oberwasser weisen. Dabei kann auch die Staustruktur (1) um eine Achse drehbar gelagert sein und die Funktion eines Segmentwehrs erfüllen. Vorzugsweise wird diese Achse ebenfalls die Achse (12) sein, um die der Regeldamm (3) gedreht wird. So ergibt sich ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau.
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Wird das Wasserkraftwerk zur Stromerzeugung benutzt, dann kann die Luft in einem offenen oder in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden. Beim offenen Kreislauf wird die Luft von der Luftmischeinrichtung (3) der Umgebung entnommen. Hierzu muss die Luftmischeinrichtung (3) durch geeignete Vorkehrungen einen Unterdruck erzeugen, der zum Ansaugen von Luft aus der Umgebung ausreicht. Bei einem geschlossenen Kreislauf wird die Luft aus der Arbeitsmaschine über eine entsprechende Rohrleitung der Luftmischeinrichtung (3) zugeführt. Dabei stellt sich der Druck automatisch so ein dass, die Luft in die Luftmischeinrichtung (3) hineinfließt. Da Luft (und damit auch Sauerstoff) im Wasser gelöst verbleibt und somit dem geschlossenen Kreislauf verlorengeht, muss dem geschlossenen Kreislauf über eine geeignete Luftergänzungseinrichtung von Zeit zu Zeit frische Luft zugeführt werden.
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Abschließend sei noch auf die besondere Umweltverträglichkeit eines solchen erfindungsgemäßen Kraftwerkes eingegangen. Von diesem Kraftwerk gehen keinerlei Gefahren für Fische aus, da keine schnell beweglichen Teile im Wasser sind, die Fische verletzen könnten. Durch die Luftmischeinrichtung wird hingegen das Wasser permanent mit Sauerstoff angereichert, was bekanntermaßen gerade für sauerstoffliebende Fischarten wie Forellen und Lachse von erheblicher Wichtigkeit für das Wohlbefinden ist. Es ist ferner davon auszugehen, dass Fische, die das Kraftwerk flussabwärts passieren keinerlei Beeinträchtigungen oder Behinderungen ihrer Fortbewegung zu erwarten haben. Flussaufwärts ist die Passage für Fische ebenfalls möglich – zumindest für die „sportlichen“ Arten wie Lachs, Forelle und ähnliche.
