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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie eines strömenden Mediums in elektrische Energie, bei dem eine dielektrische Elastomerfolie aufgrund unterschiedlicher Drücke gedehnt und relaxiert wird, wobei es beim Relaxiervorgang eine Entladung der Elastomerfolie erfolgt. Ebenso betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Beispiel in Fluss- oder Bachläufen eingesetzt werden. Die Umwandlung der Energie soll dabei unabhängig von dem gegebenen diskontinuierlichen Strömungsverhältnis eines fließenden Gewässers stattfinden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl in großen Flüssen mit geringer Fließgeschwindigkeit (< 0,5 m/s), als auch in schneller fließenden Gewässern (> 1 m/s) eingesetzt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ansätze bekannt.
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Gemäß der
DE 10 2014 111 929 A1 wird das Prinzip einer Venturi-Düse verwendet um die Elastomerfolien zu dehnen. Die Apparatur besteht aus einem oder mehreren sich verjüngenden Rohren, die mit Wasser durchströmt werden. Die Verjüngung generiert nach dem Prinzip von Bernoulli einen Druckunterschied relativ zur Umgebung. Mit diesem Druckunterschied werden runde Elastomerfolien, die am Rand eines weiteren Rohres befestigt sind, angesaugt und somit gedehnt. Je höher die Fließgeschwindigkeit am Eintritt der Venturi-Düse ist, desto größer wird der generierte Druckunterschied und die damit einhergehende Dehnung der Folien. Das Entspannen der Folien wird durch ein sich öffnendes Ventil zwischen Venturi-Düse und Folien realisiert. Dadurch wird der Unterdruck in der Venturi Düse durch hereinströmende Luft an den Umgebungsdruck angepasst und die Folien entspannen.
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Weiterhin ist ein Druckrohr bekannt, das sich ebenfalls in einem strömenden Gewässer befindet. Es ist im Gegensatz zur Venturi-Düse nicht verjüngend sondern in seinem Querschnitt konstant. Der Druck, um die Folien zu dehnen und relaxieren, wird durch das Verschließen bzw. Öffnen diese Rohres anhand eines Ventils erzeugt. Der daraus folgende Druckstoß wird verwendet, um die Elastomerfolien zu dehnen.
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Gemäß der
DE 10 2009 053 393 A1 wird das Prinzip der geodätischen Druckdifferenz zwischen Berg und Tal einer Meereswelle genutzt. In einem im oberen Bereich verschlossenen Behälter ist an der unteren Öffnung eine dielektrische Polymerfolie gespannt. Der Behälter schwimmt auf der Meeresoberfläche und wird mit Hilfe eines Seils auf einer definierbaren Meereshöhe gehalten. Durch das Heben und Senken der Welle wird die Folie anhand des Druckunterschiedes zwischen Umgebungsdruck und dem Druck im Behälter gedehnt. Es gibt bei dieser Schrift zwei unterschiedliche Betriebsmodi. Entweder ist die Polymerfolie direkt mit dem Meerwasser in Kontakt und dehnt sich mit dem Wellengang. Es gibt auch die Möglichkeit die Folie etwas oberhalb des Meeresspiegels zu montieren und somit ein Luftpolster zwischen Meer und Polymerfolie zu schaffen. Im Unterschied zu der vorgeschlagenen Erfindung wird hier die Druckdifferenz ähnlich einem kommunizierenden Gefäß genutzt um die Dehnung der Folie zu generieren. Jedoch befindet sich die Polymerfolie bei entsprechendem Betriebsmodus in direktem Kontakt mit dem Meereswaser, was zu einer hohen Ausfallwahrscheinlichkeit (sowohl mechanisch, als auch elektrisch) der Folie führen kann.
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Gemäß der
US 2010/308592 A1 wird die Strömungsenergie eines Fluides genutzt um mit Hilfe eines dielektrischen Elastomers elektrische Energie zu generieren. Die Elastomerfolie ist quer zur Strömungsrichtung in einem Kanal gespannt. Durch das Umströmen des Wassers und der damit einhergehenden harmonischen Wirbelablösung wird die Elastomerfolie in Schwingung versetzt. Dadurch entsteht ein Dehnen und Relaxieren der Folie im Rhythmus der Wirbelablösefrequenz. Die Merkmale des erfindungsgemäßen Prinzips sind ähnlich dem der bekannten Druckschrift. Jedoch wird ein anderes hydrodynamisches Phänomen zur Dehnung der Elastomerfolie genutzt. Darüber hinaus befindet sich die dielektrische Elastomerfolie in direktem Kontakt mit dem Fluid, was die Ausfallwahrscheinlichkeit bei einer Anregung durch Wasser erhöht.
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Aus der
DE 600 37 433 T2 und der
JP 2001-286162 A sind Systeme bekannt, die mit Hilfe von elektroaktiven Polymermembranen elektrische Energie in kinetische Energie umwandeln und zur Förderung eines Fluides genutzt werden können. Diese Systeme können prinzipiell auch in umgekehrter Weise, nämlich zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der kinetischen Energie eines strömenden Fluids verwendet werden. Allerdings würden die Polymermembranen auch hier durch den direkten Kontakt mit dem Fluid stark beansprucht werden und die Lebensdauer einer solchen Vorrichtung wäre gering.
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Verwandt zu einer Vorrichtung, die kinetische Energie eines strömenden Mediums in elektrische Energie umwandelt ist auch die Vorrichtung aus der
WO 2008/154730 A1 . Allerdings beruht das Funktionsprinzip dieser Vorrichtung auf einem Temperaturunterschied zwischen einem Heißwasser- und einem Kaltwasserreservoir. Zudem kann auch hier der direkte Kontakt zwischen dem Fluid und der Aktorfolie nicht vermieden werden.
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Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine Umwandlung der kinetischen Energie eines strömenden Mediums in elektrische Energie mit hoher Effizienz und geringen apparativen Anforderungen umsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie eines strömenden Mediums in elektrische Energie bereitgestellt, die folgende Komponenten aufweist:
- • ein Staurohr mit einer kopfseitigen Öffnung sowie mindestens einer Öffnung in der Mantelfläche des Staurohrs,
- • mindestens ein gegenüber der Umgebung abgedichteter Behälter, in dem mindestens eine dielektrische Elastomerfolie so eingespannt ist, dass das Behälterinnere in mindestens eine erste und mindestens eine zweite Kammer unterteilt wird,
- • die erste Kammer mit einem ersten, inneren Rohr im Staurohr, das bis zur kopfseitigen Öffnung verläuft, verbunden ist,
- • die zweite Kammer über ein zweites Rohr mit dem Bereich des Staurohrs zwischen innerem Rohr und Mantelfläche des Staurohrs verbunden ist sowie
mindestens ein 2-Wege-Ventil zur Umkehrung der Verbindungen zwischen den beiden Kammern und den beiden Rohren.
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Die erfindungsgemäße Anregung der dielektrischen Elastomerfolie basiert hierbei auf dem generierten Druckunterschied des erfindungsgemäßen Staurohrs. Dieses basiert auf dem Prinzip eines Prantdl'schen Strömungsrohrs. Dieses aus der Literatur bekannte Messinstrument zur Charakterisierung fluidischer Strömungen funktioniert auf Basis der Bernoulli'schen Energiegleichung. Es besteht aus einem Rohr, dessen abgerundete Eintrittsöffnung in Richtung des strömenden Mediums, in der Regel ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, gerichtet ist. Durch die Verzögerung des Mediums entsteht an dieser Stelle ein Staudruck, der quadratisch zur Strömungsgeschwindigkeit steigt. Die Außenseite des Staurohrs wird ebenfalls mit dem Medium umströmt. Dort befindet sich mindestens eine Austrittsöffnung für das im Inneren des Staurohrs befindliche Medium. Durch den Druckunterschied im Inneren des Staurohrs und des Strömungsdruckes an der Außenseite entsteht ein Sog, der das im Inneren des Staurohrs befindliche Medium ausströmen lässt. Der Druck im Inneren gleicht sich somit dem äußeren Druck an.
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Das erfindungsgemäße, mit dem Medium umströmte Staurohr generiert durch die Geometrie der Oberfläche einen Staudruck und einen Strömungsdruck. Der Staudruck entsteht durch das Verzögern der Strömung und der Strömungsdruck durch das Beibehalten der Strömung des Mediums an der Oberfläche des Körpers. Der Staudruck wird am vorderen Ende des Staurohrs erzeugt. Durch das erste Rohr im Inneren des Körpers wird der Druck auf einen gegenüber der Umgebung abgedichteten Behälter übertragen. Hier ist es auch möglich, dass mehrere dieser Behälter existieren, auf die der Druck übertragen wird. Der mindestens eine Behälter besteht aus mindestens zwei Kammern, die in der Mitte durch die eingeklemmte dielektrische Elastomerfolie getrennt sind . Dieser gegenüber der Umgebung abgedichtete Behälter befindet sich oberhalb des Mediums (z.B. einer Wasseroberfläche), damit die Folien nicht mit dem Medium in Kontakt kommen. Es ist denkbar, dass sich der Behälter z.B. am Flussufer befindet und nur das Staurohr im Wasser eintaucht. Durch den Überdruck auf der einen Seite, wird die Folie somit ausgelenkt.
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Um die Auslenkung der Folie weiter zu steigern, liegt auf der gegenüberliegenden Seite der Elastomerfolie ein Unterdruck an. Dieser Unterdruck entsteht durch das Vorbeiströmen des Wassers an der Flanke des Staurohrs. Das Medium im Inneren des Staurohrs wird durch Öffnungen an dessen Mantelfläche anhand der Sogwirkung nach außen befördert. Der Innenraum des Staurohrs ist durch ein Rohr mit dem gegenüber der Umgebung abgedichteten Behälter verbunden. Das Entweichen des Mediums sorgt für einen Unterdruck auf der gegenüberliegenden Seite der Elastomerfolie. Die Dehnung der Elastomerfolien wird folglich durch die Summierung der beiden Drücke realisiert.
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Die alternierende Dehnung der Elastomerfolie wird durch mindestens ein 2-Wege-Ventil ermöglicht. Das Schalten bewirkt, dass sich die Drücke in dem Behälter nun auf die benachbarte Kammer übertragen. Die Auslenkung der Elastomerfolie erfolgt nun in die entgegengesetzte Richtung. Im Nulldurchgang der Dehnung entlädt sich dann die Elastomerfolie. Das Volumen für die Dehnung der Elastomerfolien wird durch den unterschiedlichen Wasserstand in den Verbindungsrohren relativ zur Wasseroberfläche des Flusses realisiert.
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Strömungssimulationen ergeben kumulierte Druckdifferenzen von bis zu 1200 Pa bei einer Wasserströmungsgeschwindigkeit von 1 m/s. Der damit erreichbare fluidische Wirkungsgrad liegt bei etwa 60%. Der Aufbau kann aus kostengünstigen Materialien hergestellt werden, benötigt eine Wassertiefe von etwa 0,5 m (je nach Größe des erfindungsgemäßen Staurohrs und lässt sich modular an unterschiedliche Flussbreiten angepasst neben- oder hintereinander anordnen. Der Fischschutz ist zum einen dadurch gewährleistet, dass Fische durch die kleinen Öffnungen an der Mantelfläche des Staurohrs nicht ins Innere des Staurohrs gelangen können und zum anderen ermöglicht die niedrige Strömungsgeschwindigkeit an der Staustelle ein einfaches Herausschwimmen der Fische. Es ist möglich die Apparatur sowohl schwimmend durch Auftriebskörper und Verankerungsseile als auch fixiert durch Streben am Flussgrund oder -ufer zu befestigen.
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Das erfindungsgemäße Staurohr ermöglicht es, dass selbst geringe Strömungsgeschwindigkeiten ausgenutzt werden können, um kinetische in elektrische Energie zu wandeln. Es können sowohl kleine Strömungen von kleinen Flüssen, als auch Meeeresströmungen, beispielsweise durch die Gezeiten genutzt werden. Im Gegensatz zu vielen anderen bekannten Systemen wird hier die kinetische Energie der Strömung, ohne große Querbauwerke wie Dämme, direkt genutzt, um Energie zu wandeln.
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Die konstruktive Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist hinsichtlich der mechanischen Elemente einfach gehalten. Es werden keine aufwendigen Bauteile, wie Turbinen oder Pumpvorrichtungen benötigt, die mit der Zeit verschleißen können und die Energiewandlung behindern. Da keine beweglichen mechanischen Teile in der Apparatur verbaut sind, werden Fauna und Flora gleichermaßen geschützt.
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Ein weiterer Vorteil ist der durch die große, mit Öffnungen versehene Mantelfläche des Staurohrs bereitgestellte hohe Volumenstrom, um die dielektrischen Elastomere anzusaugen. Dadurch ist es möglich, mit einer höheren Frequenz als bei bekannten Systeme mit zweidimensionalen dielektrischen Elastomeren oder Polymeren zu arbeiten.
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Durch die wenigen und kompakten Bauteile der Vorrichtung kann man diese leicht montieren und demontieren, um auf andere Gewässer auszuweichen. Durch die Skalierbarkeit des Systems kann man sich beliebig den örtlichen Begebenheiten anpassen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, Flusssysteme mit niedriger Wassertiefe und hoher Fließgeschwindigkeit auszunutzen. Dies trifft auf die vielen ungenutzten Gebirgstäler und schwer zugänglichen Siedlungsgebiete zu. Diese sind weitestgehend aktuell ungenutzt, da dort ein Aufbau eines Energiewandlers mit hohen baulichen Maßnahmen einhergehen würde. Dieses System ist ideal als ein Kleinstwasserkraftwerk einsetzbar, das lokal ansässige Wohnungen als elektrische Energieversorgung zur Verfügung gestellt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Staurohr weist gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Druckrohr den wesentlichen Unterschied auf, dass bei der Druckrohranregung jeweils nur ein relativer Unterdruck oder Überdruck erzeugt wird, während beim erfindungsemäßen Staurohr alternierend mit Unterdruck und Überdruck gearbeitet wird. Darüber hinaus wird bei der Druckrohranregung ein hoher Druck, aber ein geringer Volumenstrom zum Dehnen erzeugt. Beim erfindungsgemäßen Staurohr ist dies invers.
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Es ist bevorzugt, dass in der Vorrichtung mehrere dielektrische Elastomerfolien eingespannt sind. Vorzugsweise können dabei mehrere Behälter parallel geschaltet werden, um mit dem erfindungsgemäßen Staurohr mehrere Elastomerfolien gleichzeitig zu dehnen. Ebenso ist es möglich, in einem Behälter mehrere Elastomerfolien hintereinander anzuordnen. Das System ist nach Belieben skalierbar.
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Es ist bevorzugt, dass die kopfseitige Öffnung einen Durchmesser im Bereich von 100 bis 300 mm, bevorzugt von 150 bis 250 mm aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Mantelfläche des Staurohrs vorzugsweise Löcher oder Schlitze auf. Dabei ist es bevorzugt, dass sich mehrere gleichmäßig beabstandete Öffnungen über den Zylinder verteilen.
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Der Anteil an Öffnungen im Mantel sollte mindestens 50 % von der Fläche des Zylindermantels betragen um einen akzeptablen Unterdruck im Steigrohr zu erzeugen. Die Geometrie der Öffnungen sollte vorzugsweise einem Kreis entsprechen. Diese bietet die größtmögliche Fläche (zum Ansaugen des Wassers im Inneren des Körpers) bei kleinstmöglicher charakteristischer Länge (Strömungsverluste durch Turbulenz) des Lochs.
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Das Material der dielektrischen Elastomerfolie ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silikone, Acryl, Polyurethane, Naturkautschuk oder Kombinationen oder Verbunde hiervon.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass mehrere Behälter in Reihe geschaltet werden, wobei die Kammern der einzelnen Behälter über T-Verbindungen miteinander gekoppelt werden.
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Es ist weiter bevorzugt, dass die Vorrichtung einen Stromregelkreis mit einer Energiequelle und einem Energiespeicher aufweist, wobei der Stromregelkreis so ausgelegt ist, dass die dielektrische Elastomerfolie mit elektrischer Energie beaufschlagt und darin gespeicherte Energie in den Energiespeicher übertragen wird.
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Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Einheit zur Bestimmung des Dehnungszustands der Elastomerfolie, insbesondere einen Drucksensor, einen optischen Sensor, eine Ultraschall-Messeinheit oder eine dielektrische Elastomerfolie zur Kapazitätsmessung aufweist. Diese passive Folie wird mit der aktiven Folie parallel geschalten. Bei einer dielektrischen Elastomerfolie handelt es sich in aus elektrischer Sicht um einen Kondensator. Durch die Dehnung der passiven Folie wird deren Oberfläche vergrößert während die Höhe des Dielektrikums reduziert wird. Als Folge dessen ändert sich die Kapazität der Folie. Durch die Bestimmung dieser Kapazitätsänderung kann die Dehnung der passiven Folie bestimmt werden. Diese Dehnung kann aufgrund der Parallelschaltung auf die aktive Folie übertragen werden.
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Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Umwandlung der kinetischen Energie eines strömenden Mediums in elektrische Energie bereitgestellt, bei dem:
- • mindestens eine dielektrische Membran in einem Behälter eingespannt wird, so dass das Behälterinnere in mindestens eine erste und mindestens eine zweite Kammer unterteilt wird,
- • in den mindestens zwei Kammern durch ein Staurohr Druckdifferenzen erzeugt werden durch die die dielektrische Elastomerfolie in zwei Richtungen abwechselnd bis zu einem maximalen Dehnungszustand ausgelenkt wird,
- • in den maximalen Dehnungszuständen die Folie mit einer elektrischen Ladung beaufschlagt wird und
beim Übergang von der maximalen Dehnung in die eine Richtung in die maximale Dehnung in der anderen Richtung eine Entladung der Elastomerfolie erfolgt, die als elektrische Energie abgegriffen wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in der mindestens einen ersten Kammer Überdruck und der mindestens einen zweiten Kammer Unterdruck oder in der mindestens einen ersten Kammer Unterdruck und der mindestens einen zweiten Kammer Überdruck herrscht.
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Es ist weiter bevorzugt, dass das Staurohr eine kopfseitige Öffnung aufweist und beim Auftreffen des strömenden Mediums auf die kopfseitige Öffnung ein Staudruck entsteht.
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Vorzugsweise ist die kopfseitige Öffnung über ein erstes, inneres Rohr im Staurohr mit mindestens einer Kammer verbunden. Hierüber wird der Staudruck an der kopfseitigen Öffnung auf die mindestens eine erste Kammer übertragen.
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Es ist bevorzugt, dass die Mantelfläche das Staurohrs mindestens eine Öffnung aufweist. Wenn das strömenden Mediums nur in den Bereich der Öffnungen strömt, entsteht im Staurohrinneren ein Unterdruck. Dieser Unterdruck wird nun über ein zweites Rohr auf die mindestens eine zweite Kammer übertragen.
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Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 durchgeführt.
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Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
- 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform anhand einer schematischen Darstellung.
- 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit mehreren hintereinander geschalteten Kammern anhand einer schematischen Darstellung.
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In 1 ist ein Staurohr 1 (in Form eines Prandtl'schen Strömungskörpers) dargestellt, der eine kopfseitige Öffnung 2 aufweist und auf der Mantelfläche des Zylinders eine Vielzahl von Öffnungen 3, 3', 3" zeigt. Dieses Staurohr steht nun mit einem Gehäuse 4 in Verbindung, das durch eine dielektrische Elastomer-Folie 5 in eine erste Kammer 6 und eine zweite Kammer 7 unterteilt ist. Die erste Kammer 6 ist dabei über ein erstes zentrales Rohr 8 mit der kopfseitigen Öffnung verbunden. Die zweite Kammer 7 ist über ein zweites Rohr 9 mit dem Bereich des Staurohrs zwischen dem zentralen Rohr 8 und der Mantelfläche 10 des Staurohrs verbunden. Über ein Zwei-Wege-Ventil 11 kann die Verbindung zwischen dem ersten Rohr 8 und dem zweiten Rohr 9 auf der einen Seite und den beiden Kammern 6 und 7 auf der anderen Seite vertauscht werden, so dass sich die Druckverhältnisse in den beiden Kammern alternierend ändern.
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Das erfindungsgemäße Staurohr 1 kann mit einem durch Pontons 12 und 12' schwimmfähig gemachten Gestell 13 ergänzt werden. Die Befestigungspunkte des Staurohrs am Gestell liegen größtenteils im Inneren des Staurohrs, um den Strömungswiderstand um das Staurohr herum so gering wie möglich zu halten. Das gegenüber der Umgebung abgedichtete Gehäuse 4 kann sich entweder direkt auf dem Gestell 13 oder am Ufer durch Luftschläuche verbunden mit den Rohren 8, 9 befinden. Es ist dabei darauf zu achten, dass der Wasserspiegel in den Rohren 8, 9 zu jeder Zeit unterhalb des Ventils liegt. Um ein Abtreiben der Vorrichtung zu vermeiden, ist diese entweder mit Seilen oder Streben am Ufer befestigt.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt, die im Wesentlichen analog zu der Ausführungsform gemäß 1 ist. Der einzige Unterschied bezieht sich hier darauf, dass das Gehäuse 4 eine Vielzahl von Kammern 6, 6', 6"', etc. aufweist, die über dielektrische Elastomer-Folien 5, 5', 5''', 5‘‘‘‘, 5‘‘‘‘‘, etc. von den weiteren benachbarten Kammern 7, 7', 7", etc. getrennt sind.
