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Stand der Technik mit Fundstellen:
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Es ist bekannt und weit verbreitet, dass Brücken über fließende Gewässer mit Pfeilern im Flussbett abgestützt werden.
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Außerdem gehört es zum Stand der Technik, das Wasserkraft zur Energiegewinnung verwendet werden kann.
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Dabei wird die bei der Verringerung der Höhe entstehende Strömung des Wassers in mechanische Arbeit einer Drehbewegung umgesetzt.
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Weit verbreitet sind Kraftwerke an Staudämmen von Flüssen oder die Gezeiten ausnutzend.
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Bereits vor der Erfindung von Wärmekraftmaschinen nutzten Schiffsmühlen die Energie fließender Gewässer [2].
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Die mechanische Arbeit wird meist mittels Generator in elektrische Energie umgesetzt.
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US1767995A schlägt diagonal im Wasserstrom befestigte Schrauben-Impeller als Antrieb vor. Derartige Anlagen sind offensichtlich nicht für strömende Gewässer mit Schiffsverkehr geeignet.
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Portable Wasserkraftanlagen, wie
US4868408A benutzen eine Propellerturbine als Rotoreinheit. Es sind spezielle Maßnahmen zur Wasserleitung und -führung erforderlich, wie ein Venturi-förmiger Rohreinlauf, was die Konstruktion verteuert und den Flussquerschnitt einschränkt.
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DE4139134A1 benutzt so genannte Wasserkraftschnecken nach dem umgekehrten Prinzip der „archimedischen Schraube“, wo eine solche Wasserkraftschnecke in Verbindung mit einem Wehr vorgestellt wird. Es wird ein fester Trog mit einer Schnecke verwendet, der oben Wasser zugeführt wird, das schwerkraftbedingt abwärts fließt und die Schnecke dreht und damit potenzielle in Drehenergie wandelt. Für die Umsetzung muss das Wasser oberhalb der Schnecke mit einem Wehr angestaut werden, was einen starken Eingriff in der Flusslauf erfordert und Fische und Schifffahrt behindert.
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EP2003332A1 schlägt vor, die Wasserkraftschnecke wenigstens mit einem Schwimmkörpers oder auch beispielsweise mit einem im Flussbett zu verankernden Rahmen direkt im strömenden Gewässer zu platzieren. Es wird ein Einlauftrichter sowie in jedem Fall ein offener oder geschlossener Trog verwendet und eine Einströmrichtung von vorzugsweise 45 °. Dabei sollte und kann die beschriebene Wasserkraftanlage vorteilhaft im Uferbereich des Gewässers platziert werden, um etwaigen Schiffsverkehr nicht zu behindern. Dies widerspricht jedoch dem dargestellten Gedanken, die Wasserkraftanlage im Bereich größter Strömung zu platzieren, was in der Regel nicht im Uferbereich der Fall ist.
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EP1030056A2 beschreibt einen mechanischen Energiewandler aus Strömungsenergie, der mehrere Profile hintereinander versetzt oder dem Schneckenverlauf folgend für die mechanische Kopplung zum Nutzenergiewandler anordnet. Diese Profile befinden sich in einem durchströmten Hohlkörper. Diese Wasserkraftschnecken bzw. -anlagen sind dementsprechend wartungsaufwändig und anfällig gegen Beschädigungen der Rotoren bzw. deren Blockade durch Treibgut.
US4868408A zeigt eine portable Version einer Wasserkraftanlage, die ebenfalls einen röhrenförmigen Aufbau hat und des halb direkt zur Verstopfung mit Treibgut neigt.
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DE202012100029U1 widmet sich der Aufgabe, die Störungsanfälligkeit der Wasserkraftschnecken zu reduzieren und den Wartungs- und Reinigungsaufwand zu verringern, indem eine einseitige Lagerung vorgesehen ist. In Verbindung mit länglichen Schwimmern parallel zur Strömung richtet sich die Wasserkraftschnecke nach der Strömung aus. Besonders bei längeren Schnecken wird das Lager jedoch sehr stark radial belastet, so dass die einseitige Lagerung Grenzen hat. Die reklamierte Robustheit gegenüber Verschmutzungen/Treibgut kann offensichtlich an der Lagerseite nicht gewährleistet werden.
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US672085A beschreibt einen Motor, der durch Wasserwellen angetrieben wird.
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Problem:
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Industrialisierung und Begrenztheit fossiler Brennstoffe erfordern die zunehmende Nutzung regenerativer Energien.
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Der im Patentsanpruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass bekannte Wasserkraftanlagen im fließenden Gewässer einen starken Eingriff in das fließende Gewässer erfordern.
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Für bisherige Wasserkraftanlagen im fließenden Gewässer werden Flüsse häufig angestaut, was einen erheblichen Eingriff in den natürlichen Verlauf der Flüsse sowie die damit im Zusammenhang stehende Flora und Fauna darstellt und die Schifffahrt stark behindert.
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Bekannte Wasserkraftanlagen im fließenden Gewässer behindern ebenfalls den Schiffsverkehr [2].
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Auch sind solche Anlagen gefährlich, wenn die Wehre durch beispielsweise bei Gewalteinwirkung zerstört werden.
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Die bekannten Brückenpfeiler im fließenden Gewässer sind für eine Energiegewinnung nicht vorgesehen, sondern dienen der Abstützung der Brücke und die Strömungsenergie des umströmenden Wassers bleibt ungenutzt.
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Lösung:
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Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst, indem die Wasserkraftanlage im fließenden Gewässer in den für eine Brücke erforderlichen, im Flusslauf befindlichen Pfeiler, einbezogen wird.
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Gemäß Anspruch 2 wird die Wasserkraftanlage im fließenden Gewässer bereits beim Bau der Brücke vorgesehen oder gemäß Anspruch 3 wird ein bereits vorhandener Brückenpfeiler durch Rotor und Generator ergänzt.
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Erreichte Vorteile:
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Ein Aufstauen des Flusses ist nicht erforderlich, da die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage im fließenden Gewässer die für Brücken ohnehin erforderlichen Stützpfeiler ersetzt.
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Wie in 1 gezeigt, wird der Flussquerschnitt nicht eingeschränkt, wenn der Rotor der Wasserkraftanlage (d) einen Querschnitt besitzt, der nicht größer als die Breite der Brückenpfeiler (m) ist. Damit wird die Schifffahrt, nicht wie bei anderen Wasserkraftanlagen im fließenden Gewässer häufig der Fall, behindert.
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Wasserkraftanlagen im fließenden Gewässer nach Patentspruch 1 sind für Flora/Fauna ungefährlich und auch bei Gewalteinwirkung unkritisch.
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Bei der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage im fließenden Gewässer entfallen Rahmen, Einlauftrichter und Trog, die die Wasserkraftschnecke anfällig gegen Treibgut machen und die Fahrrinne gegenüber dem Schiffsverkehr einschränken.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung:
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1 zeigt die Ausgestaltung der Wasserkraftanlage im fließenden Gewässer beispielhaft als Brückenpfeiler mit dem Brückenüberbau (x). Der Rotor (d) ist in der Durchströmungsöffnung (y) mit Welle (b) und den Lagern (v) an den Streben (w) aufgehängt. Als Rotor kommen alle möglichen sich drehenden Flügel-, Schnecken oder Turbinenantriebe in Frage. Die Rotationsarbeit wird durch den in der Welle befindlichen Generator (h) in elektrische Energie gewandelt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 4 und 2 angegeben. Dabei wird die Wasserkraftanlage im fließenden Gewässer durch einen zweiteiligen Aufbau, bestehend aus dem Pfeiler mit tragender Funktion (m) und einem Teil, hauptsächlich bestehend aus der Rotoreinheit (d) und dem Generator (h), variabel mit einander verbunden, realisiert. Die Verwendung einer Wasserkraftschnecke als Rotoreinheit (d) hat gegenüber anderen Flügel- oder Turbinenanlagen den Vorteil, dass beim durch den Brückenpfeiler vorgegebenem Querschnitt der Wasserkraftanlage im fließenden Gewässer eine Skalierung der Leistung über die Länge möglich ist. Außerdem sind derartige Aufbauten robust gegenüber Verschmutzungen und Treibgut als auch ungefährlich für Wassertiere.
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Die Verwendung von Schwimmern zur Aufhängung gemäß Anspruch 6 beschränkt bauliche Maßnahmen an der Brücke auf ein Mindestmaß und sorgt für eine automatische Höhenanpassung der Wasserkraftanlage im fließenden Gewässer an den Wasserstand.
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Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit bei Ersetzung eines vorhandenen Brückenpfeilers durch die vorgeschlagene Wasserkraftanlage im fließenden Gewässer oder im Einzelfall auch mögliche nachträgliche Nachrüstung. Im Beispiel ist die Durchströmungsöffnung (w) rund ausgeführt, was bei konkreten Realisierungen nicht zwingend der Fall ist, sich aber vorteilhaft für die Gesamtstabilität des Brückenpfeilers darstellt. Die Ausführung der Streben (w) und der Lager (v) kann im Einzelfall gemäß dem Stand der Technik anders gestaltet sein, wobei zu beachten ist, dass der Durchlauf des Strömung möglichst wenig behindert werden soll und Treibgut und Fische berücksichtigt werden sollten, z. B. durch Schutzgitter. Im Beispiel ist der Generator (h) platzsparend in der Welle (b) untergebracht. Andere Varianten, z. B. Integration im Brückenpfeiler (m) sind ebenfalls möglich, aber nicht dargestellt.
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2 zeigt eine einfache (aus einem Segment bestehende) Rotoreinheit (
d), ausgeführt als Flusskraftschnecke, die mit Seilen an Schwimmern (
c) aufgehängt und mit einem Befestigungsseil (
j) an einem Brückenpfeiler (
m) so befestigt ist, dass sie dicht unter der Wasseroberfläche (
a) positioniert ist, weil hier die Wasserströmung (
e) im Allgemeinen am größten ist. Im Einzelfall kann die Verankerung auch anders, z. B. im Flussgrund erfolgen. Gemäß Anspruch 10 ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausführung, wenn die Rotoreinheit (
d) selbst schwimmfähig ausgeführt ist, so dass die Schwimmer (
c) entfallen können (nicht abgebildet). Dadurch wird eine noch höhere Betriebssicherheit bei Treibgut erzielt, denn Aufhängungen zu den Schwimmern entfallen und das stromabwärts gelegene Ende der Rotoreinheit kann frei bleiben, ähnlich wie in
DE202012100029U1 reklamiert, aber dort mit einer stromauf befindlichen Lagerung und einem Rahmen mit Schwimmer realisiert. Bei entsprechender Leichtbauweise bzw. geeignete Materialien schwebt die Rotoreinheit dann dicht unter der Wasseroberfläche.
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Die Rotoreinheit (d) überträgt ihre Drehbewegung über eine Welle (b) an den brückenseitigen Generator (h), der ebenfalls an Schwimmern hängt und gegen Verdrehen gesichert ist. Im Ausführungsbeispiel ist als Verdrehschutz (I) dafür eine im Flussgrund verankerte Stange vorgesehen, die mit dem Generator über eine Buchse (i) verschiebbar verbunden ist. Die optionale Abspannung (n) zum Flussgrund (f) hin soll verhindern, dass die Flusskraftschnecke bei Schiffsverkehr und dem damit verbundenen Wellenschlag aus der Strömung gedrückt wird.
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Die erzeugte Energie wird im Beispiel über ein Kabel (k) bei der Brücke in das Versorgungsnetz eingespeist. Erfindungsgemäß kann der Generator auch anders, z. B. in der Welle oder im tragenden Pfeilerteil untergebracht werden
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Bauliche Eingriffe in die Brücke sind bei dieser Ausführung nicht erforderlich. Das Seil entwickelt Zugkräfte, die von der Statik des Brückenpfeilers aufgefangen werden müssen. Sollte der Pfeiler dafür nicht geeignet sein, kann auch eine direkte Verankerung im Flussgrund erfolgen.
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3 zeigt eine Ausführung in 3 Segmenten von Flusskraftschnecken, deren Wellen im Beispiel über Gelenkwellen (r) miteinander verbunden sind. Dadurch ergibt sich eine größere Flexibilität der Flusskraftschnecke, um zu starke Querkräfte z.B. bei Wellenschlag zu vermeiden.
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4 zeigt eine Variante mit zwei gegenläufigen Wasserkraftschnecken - mit Rechts- (s) bzw. Linkswindung (t) und damit bei angegebener Strömungsrichtung (e) links- bzw. rechtsdrehend (stromab gesehen). Der sich zwischen den beiden Wasserkraftschnecken befindliche Generator (h1) ist auf beiden Seiten mit Antriebswellen versehen, die sich dadurch entgegengesetzt drehen, so dass sich die auf den Generator wirkenden Drehmomente aufheben und dessen Drehneigung gering ist. Die Kabelanschluss zur Energieeinspeisung mag z. B. durch die Welle der Rotoreinheit geführt sein, wie in der Abbbildung gezeigt. Eine nicht gezeigt Realisierungsvariante besteht darin den Generator in der Welle zu integrieren, wie in 1.
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5 zeigt die Anpassung der Flusskraftschnecke an verschiedene Wasserstände durch Variation der Steilheit des Schneckengangs: (s) bei mittlerem, (t) bei hohem, (u) bei niedrigem Wasserstand durch Anpassung der Steigung der Windung, wodurch sich Länge und Durchmesser der Wasserkraftschnecke ändern. Zur Realisierung können Lamellenartige Strukturen verwendet werden.
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6 zeigt die Absenkung der Flusskraftschraube durch aktive Rollen (q), um z. B. eine Beschädigung durch Eisgang (p) zu vermeiden. Die Seilbefestigung am Brückenpfeiler (j) ist entsprechend länger ausgeführt. Die Abspannung (n) zum Flussgrund ist in diesem Fall mit einer Bremsrolle (o) ausgeführt, die von der Antriebswelle mitgenommen wird. Die Schiebebuchse (i) an der Stange zum Verdrehschutz (I) ist drehbar befestigt, um ein Verklemmen zu verhindern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1767995 A [0007]
- US 4868408 A [0008, 0011]
- DE 4139134 A1 [0009]
- EP 2003332 A1 [0010]
- EP 1030056 A2 [0011]
- DE 202012100029 U1 [0012, 0030]
- US 672085 A [0013]
