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I. Innovationsidee
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Für
die Rotationsenergie-Gewinnung mit mobilen Laufwasserkraftwerken
wird von dem technischen Prinzip der Schiffsmühlen des Mittelalters ausgegangen.
Neben dem Einsatz der Komponenten des technischen Fortschrittes
stellt deren Kombination mit der Anwendung physikalischer und konstruktiver
Grundlagen eine Innovation dar. Sie ermöglicht die Entwicklung und
den Bau von umweltfreundlichen Kleinkraftwerken zur Ausbeute regenerativer
Basisenergie.
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Das „Schiffs"-Kraftwerk kann die Dimension der größten Flußschiffe
aus gleichem Basismaterial z.B. Eisen erreichen und bis hinab zur
Modellbaugröße als Kinderspielzeug
u.a. in Kunststoffmaterial produziert werden. Entscheidend für die Größenauslegung
sind der Verwendungszweck und die Energieleistungskapazität sowie
der nachhaltige Flußwasserpegel,
die Fließgeschwindigkeit
und die Flußbreite.
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Mit den immobilen bzw. stationären Laufwasserkraftwerken
kann die kinetische Energie von Flüssen je nach Gefälle mit
der Wasserradtechnik der ober-, mittel und unterschlächtigen
Bauart ca. alle 200 m genutzt werden. Dieses Flußnutzungsmaß kann mit mobilen Laufwasserkraftwerken
noch unterschritten werden. Sie bedürfen keiner industriellen Landverwendung.
Die Kraftwerke erfordern auch keine Bauwerke, wie z.B. fast alle
anderen Arten von Wasserkraftwerksarten. Sie weisen ein optimales
Investitions-Leistungsverhältnis
auf. Zudem sind sie in Werften sehr preiswert zu montieren und demontieren
sowie vom Baumaterial her voll resyclingfähig.
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Diese Kraftwerke sind mit Schleppern
im Ganzen sowie auf Transportschiffen am Wasserwege oder Lastwagen
am Landwege in montagefähig
typisierten Baugruppenelementen an alle geeigneten Flußankerplätze hin
zu transportieren. Auf gleichen Wegen lassen sie sich auch von dort
an andere Einsatzorte nach Bedarf wieder umzusetzen. Sie können auch
mit eigenem Fahrantrieb (z.B. über
Dieselmotor oder Akkus) für Kurzstrecken
versehen werden. Neben dem Propellerantrieb, z.B. über Außenbordmotoren,
kann auch das Wasserrad analog dem Schaufelraddampfer-Prinzip zur
Eigenbewegung genutzt werden.
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Unter Flußbrücken stellt die jahreszeitliche
Durchfahrtshöhe
und Eintauchtiefe bei minimalem Kielwasser einen Transportengpaß dar. Ist
das Gesamtmaß geringer
als der Wasserrad-Durchmesser,
dann können zur
Durchfahrt die oberen Radsegmente demontiert werden.
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Das mobile unterschlächtige Wasserrad-Kraftwerk
kann auch bei Niedrigstwasser genutzt werden, da es sich mittels
Ballastwasser auf den Flußgrund
setzen läßt.
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Am Einsatzort können derartige Wasserkraftwerke
im Fluß je
nach Gegebenheit und technischer Möglichkeit über Stege, Pontonbrücken, Seilfähren, Boote,
Seilbahnen oder Dämme
erreichbar gemacht werden.
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In Länder mit entsprechenden Flußläufen und
geringer Infrastruktur ist die Mobilität der Kraftwerke von besonderem
Vorteil. Die einfachste Anwendung, wie schon mit antiken Schöpfwasserrädern für die Feldbewässerung,
kann beispielsweise über
eine angeschlossene Pumpenanlage erfolgen. Dieses Wasserkraftwerk eignet
sich zum direkten oder indirekten Antrieb bzw. Betrieb von allen
Arten von Aggregaten oder Vorrichtungen zur gewerblichen oder sonstigen
Nutzung, die sich auf dem Schiff oder an Land befinden können. Primär ist dieses
für den
Betrieb einer E-Stromerzeugungsanlage mit Schwungradverstärkung gedacht,
wie aus der zeichnerischen Darstellung, als eine primäre von möglichen
Nutzungsarten, ersichtlich ist. Über
E-Stromleitungen können
darüber
auch alle relativ nahen Standorte zum Fluß mit elektrischer Energie
für private,
gewerbliche und industrielle Zwecke preiswert versorgt werden. Zwar
kann die Kraftausbeute (Erntefaktor) auch bei Wasserrädern mit
dem jahreszeitlichen Mengenanfalls von Regen- und Schmelzwasser
schwanken, aber ungleich geringer als die von Windstärken mit
Windkraftanlagen. Die Drehzahl bei der Kraftachse ist wesentlich gleichmäßiger sowie
nachhaltiger und damit die zu erreichende Wechselstrom-Frequenz (50 Hz).
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II. Konstruktionsaufbau
des mobilen Laufwasserkraftwerkes
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Das mobile Laufwasserkraftwerk als
moderne Schiffsmühle
besteht aus einem Schiffsrumpf, einer Wasserrad-Kraftanlage und
Rotationsenergie-Nutzungsanlagen. Der Schiffsrumpf bzw. -körper, ableitet
von Schiffsmühle,
kommt eher dem eines katarmaranartigem Prahms (bzw. Plätte) als
eines Schiffes gleich. Das Bauprinzip verfolgt ein optimales Verhältnis von
geringer Eintauchtiefe zu starkem Auftriebsvermögen. Desweiteren ist wegen
des überdimensionierten
Wasserradradius als wirkungsvollen Hebelarm eine ebenso optimale
Schwerpunktpositionierung damit zu erzielen. Der Rumpf setzt sich
aus den drei nachfolgend beschriebenen Bauteilen des Unter-, Mittel-
und Oberrumpfes zusammen. Dieser hat folgende mögliche bzw. vorläufige richtwertige
Maßrelationen,
die nach der praktischen Testphase für eine Optimierung des wirtschaftlichen
Kosten-Leistungsverhältnis
noch genau zu bestimmen sind.
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In den Zeichnungen auf Blatt 01 und
Blatt 02 sind die nachfolgend aufgeführten Konstruktionsteile mit ihren
Kennnummern der Position (Pos.) in den einzelnen Abbildungen (Figuren)
versehen. In Blatt 01 sind die Backbord-Ansicht, die Bug-Ansicht,
die Deck-Ansicht sowie der Querschnitt abgebildet. Blatt 02 weist
die Skizzen der Grundrisse von Ober-, Mittel- und Unterrumpf aus.
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A. Schiffsunterrumpf:
Pos. 1.0.
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Der Unterrumpf hat einen umgekehrt
katarmaranartigen Aufbau, wobei die beiden Auftriebskörper (Schwimmer) über den
mittigen Schiffsboden miteinander verbunden sind. Er besteht aus
folgenden Konstruktionsteilen.
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1) Triebwasserkanal: Pos.
1.1.0
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Das Flußwasser wird in der Mitte des
Schiffskörpers
am flachen Schiffsboden in einer kastenförmigen Rinne als Triebwasser
kanalisiert. Zum Bug öffnet
sich der Triebwasserkanal trichterförmig. Der Trichter erhöht das Schluckvermögen und
in der Verengung die Fließgeschwindigkeit
(Bernoulli'sche
Gleichung). Der Druckausgleich geht in die Fließrichtung, wodurch eine erhöhte Achsrotation über die
Radschaufeln erfolgt.
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1.1) Kanal
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- a) Zulauftrichter Bug Pos. 1.1.1.0.
- b) Wasserradkanal Pos. 1.1.2.0.
- c) Auslauftrichter Heck Pos. 1.1.3.0.
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2) Auftriebskörper: Pos.
1.2.0.
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Symmetrisch beidseitig des Triebwasserkanals
sind zwei flache lange Auftriebskörper als Art Unterwasser-Schimmer
angeordnet. Sie wirken in Kombination mit der Ballastwasseranlage
analog dem Schwimmblasen-Prinzip. Die Schwimmer gewährleisten
eine minimale Eintauchtiefe entsprechend dem Minimalpegelstand.
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2.1) Schwimmkörper
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- a) Backbord Pos. 1.2.1.0.
- b) Steuerbord Pos. 1.2.2.0.
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3) Fangrechen: Pos. 1.3.0.
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An der Schlucköffnung am Bug des Unter- und
Mittelrumpfes ist ein mittig geteilter Fangrechen zur Abfangung
für größeres Treibgut
angebracht. Zum Reinigen lassen sich die beiden Rechenflügel back-
und steuerbordseits ausschwenken.
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4) Quer-Absperrschieber:
Pos. 1.4.0.
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Zur Stillegung der Wasserrad-Rotation
läßt sich
die Wasserzufuhr am Ende des Einlauf- bzw. Zufuhrtrichters durch
einen Schieber absperren.
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5) Trichterbodenklappe:
Pos. 1.5.0.
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Der Boden des Einlauftrichters am
Bug ist als eine Art Trichterklappe ausgebildet und kann torartig
am Bug zum Flußgrund
geneigt werden. Dadurch kann die Schlucköffnung bei entsprechendem Pegelstand
nochmals vergrößert werden.
Senkt sich dieser Teil des Kielflachbodens auf den Flußgrund ab,
dann drückt
er sich wieder von selbst bei einem Absenken des Schiffes nach oben.
Dieser Trichterboden ist auch mechanisch einziehbar.
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6) Sandfangrinne: Pos.
1.6.0.
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Am Kanalboden des Unterrumpfes ist
vor dem Bereich der Radachse eine V-förmige Aufkantung zu setzen.
Durch diese soll Sand und Kiesel seitlich über Bodenöffnungen am Kanalrand zum Flußgrund transportiert
werden.
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B. Schiffsmittelrumpf:
Pos. 2.0.
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1) Trichtersystem:
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Über
den Schwimmkörpern
des Unterrumpfes befindet sich ein Trichtersystem zur weiteren Zuleitung von
seitlichem Flußwasser.
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Vor der Radachse bugseits führt ein
Trichter von der Backbord- und einer von der Steuerbord-Seite zum
Triebwasserkanal hin. Der Druckausgleich in Fließrichtung soll über die
Auslaßöffnung auf
die Fließgeschwindigkeit
erhöhend
wirken.
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- a) Seitentrichter Pos. 2.1.0.
Backbord
Pos. 2.1.1.0.
Steuerbord Pos. 2.1.2.0.
- b) Kanaltrichter Pos. 2.2.
Bug Pos. 2.2.1.0.
Heck
Pos. 2.2.2.0
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2) Trichterflügel: Pos.
2.3.0
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Schiffslängsseitig ausfahrbare Trichterflügel vergrößern das
Schluckvermögen
für die
Seitentrichter hin zum Triebwasserkanal
- a)
Trichterflügel
Backbord Pos. 2.3.1.0
- b) Trichterflügel
Steuerbord Pos. 2.3.2.0
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3) Seitliche Absperrschieber:
Pos. 2.4.0.
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Die Auslauföffnungen der seitlichen Zufuhrtrichter
hin zum Triebwasserkanal sind durch Auslaßschieber zur Stillegung oder
Reduzierung der Wasserrad-Rotation im Durchlaßquerschnitt zu verändern.
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4) Achsschwimmkörper: Pos.
2.5.0.
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In der Radachsenlinie ist unter den
tauchturmartigen Aufbauten je ein Auftriebsteil als Achsschwimmkörper symmetrisch
angeordnet, da dort sich die größte Traglast
konzentriert.
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- a) Backbord Pos. 2.5.1.0.
- a) Steuerbord Pos. 2.5.2.0.
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C. Schiffsoberrumpf: Pos.
30.0
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1) Oberrumpf: Pos. 3.1.0.
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Der Oberrumpf als Schwimmkörper auf
dem Wasser besteht aus den Seiten- und Mittelteilen. Der Backbord-
sowie der Steuerbord-Oberrumpf-Seitenteile befinden sich über dem
Trichtersystem. Die Oberrumpfmittelteile am Bug und Heck decken
den Triebwasserkanal stollenartig ab. Der Oberrumpf stellt das eigentliche
Schiff dar, das im Mittelteil einen Einbauschacht bis hinab zum
Unterrumpfboden für
das Wasserrad, den Radschacht, hat.
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Der Oberrumpfboden des Mittelteiles über dem
Triebwasserkanal liegt um das Maß der Eintauchtiefe für den Auftrieb
höher als
der der Seitenteile. Auf dem Deck befindet sich am Bug die zweite
Ankerungsanlage aus Winde, Antrieb, Ketten und Anker.
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Für
die Minderung des Luftzuges durch die Wasserradrotation (analog
einer Windmaschine) sind im Radschacht bug- und heckseitig Freiräume als
Luftschächte
vorgesehen. Desweiteren sind seitliche Luftkanäle (bzw. Wind-) back- und steuerbordseits
am Bug-Raschacht angeordnet.
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An der Back- und Steuerseite in Schiffsmitte
ist über
Deckausschnitte symmetrisch zur Achslinie in den Oberumpf-Seitenteilen
je ein tauchturmartiger rechteckiger Aufbau (analog U-Bootturm) angeordnet.
Diese Aufbauten bilden Bauteile der beiden sich gegenüberliegenden
Maschinenräume.
Die Räume
dienen für
den Einbau von unterschiedlich anzutreibenden Aggregaten. Sie bemessen
sich vom Oberrumpfboden bis knapp über die Wasserradachse und
nur an der aufklappbaren Aufbauabdeckung zur Betriebsüberwachung
und Montagearbeiten zugänglich.
Damit soll ein Eindringen von Flußwasser in diesen Oberrumpfbereich
beispielsweise bei Havarie-Situationen vorgebeugt werden.
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1.1) Oberrumpfteile
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- a) Oberrumpf-Mittelteil Pos. 3.1.1.0.
Wasserradschacht
Pos. 3.1.1.1.
Luftschacht Pos. 3.1.1.2.
- b) Oberrumpf-Seitenteile Pos. 3.1.2.0.
Backbord Pos. 3.1.2.1.0.
Steuerbord
Pos. 3.1.2.2.0
- d) Luftkanal Pos. 3.1.3.0.
Backbord Pos. 3.1.3.1.0.
Steuerbord
Pos. 3.1.3.2.0
- e) Turmaufbau Pos. 3.1.4.0.
Backbord Pos. 3.1.4.1.0.
Steuerbord
Pos. 3.1.4.2.0.
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Genaue Maße bedürfen den entsprechenden physikalischen
Berechnungen und einer Ausführungsplanung.
Desweiteren sind alle Auflagen für
die Zulassung zur Flußschiffahrt
beim Bau zu beachten.
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Das Oberdeck kann Bedarf mit einer
Reling, Schiffsbrücke
und Dachung versehen werden.
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2) E-Stromanlage: Pos
3.2.0
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In den beiden seitlichen Schiffsteilen
des Oberrumpfes kann mittig unter der Radachse die E-Stromanlage als ein
mögliches
von allen verschiedenen ein- und aufbaubaren Antriebsnutzungsaggregaten
angeordnet werden. Die E-Stromanlage besteht aus Getriebeanlagen,
Stromgeneratoren, Transformatoren und allen betriebstechnischen
Einrichtungen. Getriebe und Generator können unmittelbar zentrisch
mit der Radachse verbunden werden. Sie befinden sich dann allerdings
gemäß Beispiel
axial 3,50 Maßeinheiten über dem Oberdeck
und verändern
den Schwerpunkt nach oben. Bei minimaler Wasserkraft kann nur ein
Generator und bei maximaler alle beide zur Wasserkraftausbeute eingesetzt
werden. Der Einbausatz kann nach Bedarf variiert werden und alternativ
auch nur ein Generator und ein Schwungrad nach Maschinenräumen getrennt
montiert werden. Von der E-Stromanlage wird ein E-Stromkabel über eine
Einholwinde am Flußgrund
mit Ankergewichten ans Ufer geführt.
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- a) Getriebeanlagen Pos. 3.2.1.0.
- b) Stromgeneratoren Pos. 3.2.2.0
- c) Transformatoren Pos. 3.2.3.0
- d) E-Stromkabelwinde Pos. 3.2.4.0
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3) Ballastwassertanks:
Pos. 3.3.0.
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Im Oberrumpf werden Ballastwassertanks
eingebaut. Damit kann nach Erfordernis des Höchst- und Niedrigstwasserstandes
der Schiffstiefgang und darüber
die Tauchtiefe der Radschaufeln gesteuert werden. Mehrere Tanks
verhindern eine kentermäßige Wasserschwappung
und ermöglichen
zudem eine Schiffs-Ausbalanzierung. Die Anordnung der Tanks über dem
Wasserpegel ermöglicht
neben deren mechanischen auch deren natürliche Entleerung auch bei
Schiffstiefgang in den Fluß.
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- a) Bug-Ballasttanks Pos. 3.3.1.0.
- b) Heck-Ballasttanks Pos. 3.3.2.0.
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5) Verankerung : Pos.
3.4.0.
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Am Bug des Oberecks befindet sich
die Ankerwindenanlage zur Sicherung gegen das Abdriften des Schiffes.
Neben dieser Anlage am Oberrumpf (Oberdeck) sind am Bug an der Back- und Steuerbordseite
je eine Rammenverankerung vorgesehen. In einer schwenkbaren Führung auf
Oberrumpf-Bodenhöhe
werden etwas schräg
in Fließrichtung
zwei Rohrpfähle
in den Flußgrund
gerammt werden. Durch Spannen der Ankerkette lassen sich diese zum
Versetzen des Schiffes z.B. mittels einer Zahnradschiene wieder
hochziehen. Die Führung
läßt eine
Wasserstandsanpassung des Schiffes zu. Die Ankerrammpfähle (bzw.
Stangen) sind gegen eine Drehung in Abdriftrichtung arretierbar.
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- a) Ankerwindenanlage Pos. 3.4.1.0.
- b) Rammenverankerung Pos. 3.4.2.0.
Bockbord Pos. 3.4.2.1.0.
Steuerbord
Pos. 3.4.2.2.0.
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6) Radschacht-Schwimmdeckel:
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Der Triebwasserkanal bildet im Bereich
der Oberrumpf-Mittelteile einen Art Triebwasserstollen. Dieser kann
mit einer schwimmfähigen
Deckelklappe im Bug-Radschachtbereich verlängert werden. Die Deckel-Scharniere
befinden sich in Oberrumpf-Mittelteilbodenhöhe und die Schwimmleiste am
Deckelrand zum Wasserrad hin. Die Deckelklappe begrenzt das Triebwasser
in Schaufelblatt-Höhe.
Deckelklappe
Pos. 3.5.0.
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D. Wasserkraft-Anlage:
Pos 4.0.
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1) Wasserrad
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Das Wasserrad der unterschlächtigen
Bauart ist zur optimalen Kraftnutzung nach dem Hebelgesetz mit einem
optimierten Kraftarm ausgestalten. Dieser bemißt sich über den Radradius mindestens
vom Triebwasser-Kanalboden bis über
das Oberdeck. Die Radachshöhe über Oberdeck
bestimmt sich nach der Schwerpunktsstabilität auf schiffsbautechnischer
Grundlage.
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Die absolute Radbreite richtet sich
nach dem Flußeinsatzbereich
und soll etwa zwischen 50% und 60% der Schiffsbreite liegen. Für die Backbord-
und der Steuerbord-Schiffsrumpfbereiche verbleiben mithin je 25%
bzw. 20% vom Schiffsbreiten-Maß.
Die Radschaufeln haben eine maximale Tauchtiefe aus den Höhen von
Unterrumpfboden bis zum Oberrumpf-Mittelteilboden. Sie haben einen
dreieckigen Seitenabschluß und können plan-
oder wölbflächig ausgebildet
werde. Die Schaufeln sind als optimierte Kraftaufnahmeflächen ausgelegt.
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Die Wasserradachse befindet sich
in der Schiffslängsmitte
und ist back- und steuerbordseitig je auf zwei Lagerböcken auf
Deck aufgesetzt.
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1.1) Wasserradteile
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- a) Radkonstruktion Pos. 4.1.1.0.
- a) Wasserradachse Pos. 4.1.2.0.
- b) Auflagerböcke
Pos. 4.1.3.0.
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2) Schwungsradanlage:
Pos. 4.2.0.
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Um einen gleichmäßigen Lauf (Drehzahl) über die
Energiespeicherung mittels der Fliehkraft von Masse zu gewährleisten,
wird unter den Auflagerböcken
je ein Schwungrad mit Getriebe montiert. Alternativ kann auf einer
Achsseite der Generator und auf der anderen nur eine Schwungradanlage
mit eigenem Getriebe montiert werden.
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- a) Schwungrad Pos. 4.2.1.0
- b) Schwungsrad-Getriebe Pos. 4.2.2.0.
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E. Leichtbau-Konstruktionsart
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Um das Eigengewicht bei optimaler
statischer Stabilität
der Baukonstruktion zu minimieren, wird eine Gitterträger-Kastenbauweise
bei den Schwimmkörpern
verwendet. Diese bestehen aus einzelnen leicht transportablen und
montierbaren Bauteilen, die z.B. mit verschraubbaren Verbindungselementen
zusammenfügbar sind.
Die Bauteile der einzelnen Rümpfe
können über Rohrsteckmuffen
paßgenau übereinander
gesetzt. Die Muffen lassen sich mittels Stützenrohre in den Rümpfen über die
gesamte Schiffshöhe
verbinden und mit einer innengeführten
Seilverspannung gegen Knickverschiebung stabilisieren. Die Auflagerböcke für das Wasserrad bestehen
aus schiffshohen Gittertürmen.
Das Wasserrad ist ebenfalls in einer Gitterbaukonstruktion mit Seilverspannungen
konzipiert. Der Kanalboden besteht aus einem schwimmfähigen Doppelboden
mit dazwischen eingebautem Rohrstangen-Flachgitterwerk gegen Durchbiegung.
Um gewichts- und kostenträchtige
Schiffskörpergestaltung
zu vermeiden, ist der gesamte Schiffsrumpf für die industrielle Nutzart
in einer kastenförmigen
und planflächigen
Konstruktion gehalten.