DE19850948A1 - Wasserkraftwerk - Google Patents

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Wasserkraftwerk für kleine bis mittelgroße Bäche, mit folgenden Bestandteilen: DOLLAR A a) ein querschnittlich etwa U-förmiges Gerüst, zwischen dessen freien Schenkeln eine quer verlaufende Welle drehbar gelagert ist; DOLLAR A b) ein an der quer verlaufenden Welle befestigtes Wasserrad mit mehreren Flügeln; DOLLAR A c) eine Riemenscheibe, die an der Drehwelle unverdrehbar festgelegt ist; DOLLAR A d) einen Elektrogenerator mit einer Antriebswelle; DOLLAR A e) wenigstens einen Riemen zur mechanischen Kopplung der Riemenscheibe mit der Antriebswelle des Elektrogenerators; DOLLAR A f) eine stromaufwärts des Wasserrads angeordnete, die freien Schenkel des U-förmigen Gerüsts oberhalb von dessen horizontalen Mittelteil miteinander verbindende Barriere zur Begrenzung der das Wasserrad anströmenden Wassermenge.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Wasserkraftwerk für kleine bis mittelgroße Bä­ che nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Wasserkraftanlagen bieten gegenüber Windgeneratoren oder Photovoltaikan­ lagen die Möglichkeit, eine zeitlich relativ konstante Energiemenge zu erzeu­ gen. Wasserkraftanlagen sind jedoch relativ aufwendig, da hierbei Turbinen und Stauvorrichtungen mit Wasserkanälen notwendig sind, welche sich erst bei größeren Leistungen rentieren. Deshalb werden Wasserkraftwerke üblicher­ weise im Bereich von größeren Flüssen installiert, welche eine Unmenge von Schlamm und Treibgut mitführen, so daß eine leistungsfähige Wassefilterung zum Schutz der Turbine notwendig ist. Der Aufwand für derartige Wasserkraft­ anlagen ist derart hoch, daß sie für eine dezentrale Energieversorgung unge­ eignet sind; bei geringen Energieausbeuten sind derartige Konstruktionen völlig unwirtschaftlich.

Andererseits können bei kleineren Wasserkraftanlagen für Bäche aufgrund des gegebenenfalls erheblichen Oberflächenwassers in Regenperioden stark schwankende Wasserpegel auftreten, welche in nutzbare Energie umzuwan­ deln sind.

Aus diesen Nachteilen des vorbekannten Stands der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein Wasserkraftwerk zu schaffen, welches ge­ rade auch bei kleineren Leistungen eine wirtschaftliche Erzeugung von elektri­ scher Energie möglich macht, die dezentral verfügbar ist, wobei eine Lei­ stungsabgabe auch bei stark schwankendem Wasserpegel gewährleistet sein soll.

Zur Lösung dieses Problems sieht die Erfindung ein Wasserkraftwerk mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs vor. Erfindungsgemäß wird ein unterschlächtiges Wasserrad verwendet. Da das Wasserrad unterschlächtig mit Wasser beaufschlagt wird, kann auch ein minimales Gefälle, wie es im Bereich von kleineren Bächen häufig anzutreffen ist, optimal zur Energieerzeugung ausgenutzt werden. Das Wasserrad ist in einer stabilen Stützkonstruktion gela­ gert und über ein Riemengetriebe mit der Antriebswelle des Elektrogenerators gekoppelt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Hochwasserbarriere liefert das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk auch bei Installation an Bächen mit stark schwankenden Pegel eine zeitlich nur wenig schwankende Abgabeleistung, so daß eine Batterie völlig entbehrlich ist. An den Anschlüssen des Elektrogene­ rators kann die erzeugte, elektrische Energie abgegriffen und zu dem Verbrau­ cher, bspw. einem Weidezaun, einer Beleuchtungsanlage für eine Berghütte od. dgl., geleitet werden.

Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung des Wirkungsgrads des erfindungsge­ mäßen Wasserrads besteht darin, daß mindestens ein Schenkel des U- förmigen Gerüsts als wasserdichte Strömungsleitfläche ausgebildet und/oder mit einer derartigen Leitfläche verbunden ist. Hiermit kann eine möglichst la­ minare Strömung ohne Strudel oder sonstige Turbulenzen erreicht werden, die sich hervorragend zur Energiegewinnung eignet. Indem darüber hinaus die Strömungsleitfläche(n) von der Drehwelle lotrecht durchsetzt wird (werden), wird die Strömung im Bereich des Wasserrads möglichst exakt lotrecht zu dem jeweils vertikal stehenden Flügel des Wasserrads geführt, so daß sich eine ma­ ximale Relativströmungsgeschwindigkeit ergibt, die eine besonders hohe Ener­ gieausbeute zuläßt.

Die Erfindung bevorzugt weiterhin eine Konstruktion mit zwei zueinander etwa parallelen Strömungsleitflächen, deren Abstand wenig größer ist als die Breite des Wasserrads. Hiermit ist auch an den Stirnseiten des Wasserrads jegliches uneffiziente Vorbeiströmen größerer Wassermengen ausgeschlossen, und auch bei kleinen Bächen kann sich das Wasser stromaufwärts des Wasserrads aufstauen, so daß der Wasserdruck erhöht wird und zu einer kräftigen Drehbe­ wegung des Wasserrads beiträgt.

Indem die Strömungsleitfläche(n) eine langgestreckte Aufstandsfläche aufweist (-en), kann dieser (-n) gleichzeitig die Aufgabe einer mechanischen Stabilisie­ rung übertragen werden, indem einem Umkippen des U-förmigen Halterungs­ gerüsts infolge des Wasserdrucks wirkungsvoll begegnet wird.

Eine äußerst stabile Anordnung läßt sich finden, indem die Aufstandsflächen der Strömungsleitflächen durch eine zu dem Mittelteil des Gerüsts parallele Bodenplatte miteinander verbunden sind, so daß sich ein etwa rinnenförmiger Querschnitt ergibt. Diese Anordnung hat den zusätzlichen Effekt, daß keinerlei Unterspülungen der Strömungsleitflächen möglich sind, so daß ein dauerhafter Betrieb ohne jeglichen Strömungsverlust gewährleistet ist.

Das Kernstück des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks wird durch das un­ terschlächtige Wasserrad gebildet. Um eine wirtschaftliche Energieerzeugung zu erreichen, gilt es, dessen mechanischen Wirkungsgrad zu optimieren, seine mechanische Stabilität sicherzustellen und eine effiziente Ankupplung an den Elektrogenerator herzustellen. Dem ersteren Zweck dient eine erfindungsge­ mäße Weiterbildung, wonach der Radius des Wasserrads wenig kleiner ist als der Abstand der Lagerpunkte zu der Bodenplatte. Hierdurch kann insbesondere das im Bereich der Peripherie des Wasserrads maximale Drehmoment zur Energieerzeugung genutzt werden, und es kann am Grund des Bachlaufs nur wenig Wasser an dem Wasserrad vorbei strömen, ohne dasselbe in Bewegung zu versetzten.

Um dem solchermaßen aufgestauten Oberwasser jegliche Möglichkeit eines Vorbeifließens zu nehmen, ist weiterhin vorgesehen, daß die Flügel des Was­ serrads bis zu der Drehwelle heranreichen. Hierdurch läßt sich eine maximale Stauhöhe erreichen, die etwa dem Radius des Wasserrads entspricht und den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage weiter verbessert. Damit das Wasser andererseits nicht infolge einer starken Stauung in der oberen Hälfte des Wasserrads ein Bremsmoment herbeiführen kann, ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, daß die stromaufwärts des Wasserrads liegenden Ober­ kanten der Strömungsleitflächen unterhalb der Lagerungspunkte des Wasser­ rads liegt. Solchenfalls fließt das überschüssige Wasser bei einem starken Wasserandrang über die seitlichen Oberkanten der Strömungsleitflächen noch stromaufwärts des Wasserrads ab, so daß der Wasserspiegel dort niemals über das Niveau der Drehwelle ansteigen kann.

Andererseits sind insbesondere im Bereich von Wäldern aufgestellte Wasser­ kraftwerke der Gefahr herabfallenden Laubes oder herabstürzender Äste aus­ gesetzt, und derartige Reste könnten schnell zu einem Verstopfen oder Bloc­ kieren des Wasserrads führen. Deshalb sieht die Erfindung vor, daß die im Be­ reich eines Wasserrads liegenden Teile der Strömungsleitflächen bis über die Wasserräder reichen und durch eine oberseitige Abdeckung miteinander ver­ bunden sind. Diese Abdeckung kann der Gesamtanordnung darüber hinaus eine zusätzliche Stabilität verleihen. Ferner kann sie zur Montage des Elektro­ generators verwendet werden, so daß dieser an dem höchsten Punkt der An­ ordnung und somit außerhalb der Reichweite des Hochwasserpegels an einer stabilen Plattform angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Barriere kann zur Materialersparnis etwa flächig ausge­ bildet sein, wobei ihre Grundfläche etwa vertikal verläuft und somit lotrecht zu der Strömungsrichtung des Bachs orientiert ist, um bei Hochwasser den Pegel innerhalb des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks unter die Drehachse des obersten Wasserrades abzusenken. Hierdurch erhält dieses keinerlei Ober­ wasser, welches bremsend auf dessen Rotationsbewegung einwirken könnte.

Das überschüssige Wasser muß solchenfalls an dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk vorbeigeleitet werden. Hierzu befindet sich die erfindungsge­ mäße Barriere an den vordersten, stromaufwärtigen Kanten der Strömungsleit­ flächen, so daß der seitliche Abfluß des überschüssigen Wassers nicht behin­ dert wird. Darüber hinaus kann das überschüssige Wasser gezielt zu einer der beiden Längsseiten der Anordnung gelenkt werden, indem eine der beiden Strömungsleitflächen in stromaufwärtiger Richtung verlängert ist, so daß die Barriere, welche die beiden vorderen Kanten der Strömungsleitflächen mitein­ ander verbindet, mit der Achse des Wasserrades einen vorzugsweise spitzen Winkel einschließt, mithin nicht lotrecht, sondern geneigt gegenüber der Haupt­ strömungsrichtung des betreffenden Baches verläuft.

Die Unterkante der wasserabweisenden Barriere verläuft bevorzugt horizontal und definiert zusammen mit der Bodenplatte der Anordnung einen Wasserein­ trittsschlitz, der die Menge des zufließenden Wassers bei Hochwasserpegel bestimmt. Zu diesem Zweck hat es sich als günstig erwiesen, daß der Abstand der Unterkante der wasserabweisenden Barriere zu der Bodenplatte der An­ ordnung etwa dem viertel Radius des Wasserrads entspricht. Hierbei wird der Effekt berücksichtigt, daß sich das Wasser innerhalb des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes zusätzlich aufstaut, um das Wasserrad in Bewegung zu versetzen. Die Aufstauung des Wassers stromaufwärts des Wasserrades be­ stimmt sich nach dem dadurch hervorgerufenen Staudruck, der das Gleichge­ wicht zu dem Strömungsdruck des fließenden Wassers herbeiführt. Bei der er­ findungsgemäßen Bemessung kann sich hierbei das Wasser zusätzlich etwa um den halben Radius des Wasserrades bis zu dessen Drehachse aufstauen, ohne daß dessen Rotationsbewegung dadurch gehindert würde. Wird dieser Staupegel durch einen hohen Strömungsdruck überschritten, so kann das auf­ gestaute Wasser über die seitlichen Strömungsleitflächen abfließen und beein­ trächtigt somit nicht die an dem Elektrogenerator abgegebene Leistung. Damit andererseits diese maximale Stauzone voll ausgenutzt werden kann, sollte die Oberkante der wasserabweisenden Barriere wie auch die Oberkante des stromaufwärtigen Endes der Strömungsleitflächen etwa in Höhe der Drehachse des obersten Wasserrades angeordnet sein.

Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, daß die Strömungsleitflächen bei genügendem Gefälle stromabwärts des Wasserrads verlängert sind und in ei­ nem Abstand zu dem ersten Wasserrad, welcher größer ist als dessen Durch­ messer, zwei weitere Lagerungspunkte für ein zweites Wasserrad aufweisen.

Hiermit läßt sich die abgegebene Energie gegenüber der einrädrigen Ausfüh­ rungsform verdoppeln. Eine weitere Vervielfachung der gelieferten Energie­ menge ist dadurch möglich, daß in Abständen, die je nach Gefälle variieren können, mehrere Wasserräder gelagert sind. Infolge der durch die gemeinsa­ men Strömungsleitflächen untereinander verbundenen Gerüste für die einzel­ nen Wasserräder sind deren Abstände fest vorgegeben, so daß eine mechani­ sche Kopplung bspw. über jeweils einen Riemen mit dem nächsten Rad mög­ lich ist, wodurch die gesamte Energiemenge auf eine einzige Achse übertragen und dort addiert wird und sodann dem Elektrogenerator zugeführt werden kann. Hierbei ist nur ein einziger Elektrogenerator notwendig, der trotz seiner größe­ ren Dimensionierung wirtschaftlicher ist als eine größere Anzahl einzelner Ge­ neratoren. Die Addition der einzelnen Leistungen der Wasserräder kann auch direkt auf der Antriebswelle des Elektrogenerators erfolgen.

Das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk wird vorzugsweise an langsam strö­ menden Bächen eingesetzt, während handelsübliche Elektrogeneratoren erst ab einer relativ hohen Drehzahl ihre volle Leistung abgeben können. Es ist da­ her notwendig, die langsame Drehzahl der Wasserräder in eine schnelle Dreh­ zahl des angekoppelten Elektrogenerators umzusetzen, was vorzugsweise über ein mehrstufiges Getriebe, vorzugsweise ein Riemengetriebe bewerkstel­ ligt werden kann. Bei derartigen Getriebekonstruktionen wird der unterschiedli­ che Umfang verschieden großer Riemenscheiben ausgenutzt. Um hierbei mit wenigen Elementen eine maximale Übersetzung zu erreichen, kann der Radius der größten Riemenscheiben etwa dem Radius eines Wasserrades entspre­ chend gewählt werden, während die jeweils kleinen Riemenscheiben nicht viel größer sein müssen als die dadurch angetriebenen Wellen. Da die Wasserrä­ der bei niedrigen Drehzahlen ein vergleichsweise hohes Drehmoment abgeben, können die mit den darauf montierten Riemenscheiben zusammenwirkenden Riemen durch Druckelemente vorgespannt sein und/oder als Zahnriemen aus­ gebildet sein.

Da die Strömungsleitflächen den großen Vorteil bieten, die Wasserströmung von der Außenseite der erfindungsgemäßen Anordnung vollständig fernzuhal­ ten, empfiehlt es sich, die Riemenscheibe seitlich außerhalb der betreffenden Strömungsleitfläche anzuordnen, wo sie dem Einfluß der Wasserströmung entzogen ist. Dies ist insofern von Bedeutung, als ausschließlich ein trockener Antriebsriemen keinem Schlupf unterliegt und die gesamte, an der Riemen­ scheibe angebotene Leistung weitgehend verlustfrei auf die Welle des Elektro­ generators übertragen kann.

Um dies zu erreichen, kann das seitliche Riemengetriebe stromabwärts einer seitwärts an der betreffenden Strömungsleitfläche angeordneten Wasserbar­ riere angeordnet sein, die gegebenenfalls zu einem die betreffenden Teile des Riemengetriebes in deren unteren Bereich umgebenden Trogs weitergebildet sein kann. Damit dieser Trog auch bei Hochwasser trocken bleibt, muß sicher­ gestellt sein, daß solchenfalls das seitlich abfließende Wasser an der gegen­ überliegenden Seite der Anordnung vorbei strömen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß das hinter einer Wasserbarriere oder in einem seitlichen Trog an­ geordnete Riemengetriebe sich an der längeren der beiden Strömungsleitflä­ chen befindet, von der das überschüssige Wasser durch die geneigt angeord­ nete Strömungsleitfläche weggelenkt wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung entspricht die Breite des Was­ serrads etwa dem ein- bis zehnfachen, vorzugsweise dem zwei- bis fünffachen seines Radius. Diese Konstruktionsmaßnahme resultiert aus der Überlegung, daß die an dem Elektrogenerator abgegebene Energie aus der potentiellen Energie des stromaufwärts des Wasserrads angestauten Oberwassers gewon­ nen wird, die wiederum proportional zu der maximalen Stauhöhe und damit zu dem Radius des Wasserrads ist. Andererseits sind mittelgroße Bäche üblicher­ weise relativ flach und die Erfindung bietet die Möglichkeit, ohne größeren Ein­ griff in die Natur die gesamte Breite des Bachs nutzen zu können.

Ein besonders wichtiger Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Langlebigkeit des Wasserkraftwerks, damit die Investitionskosten sich über ei­ nen möglichst großen Nutzungszeitraum verteilen. Andererseits befinden sich viele Teile des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks in ständigem Kontakt mit dem Wasser des betreffenden Bachs, so daß einer unerwünschten Herabset­ zung der Lebenserwartung der erfindungsgemäßen Anordnung infolge vorzei­ tiger Korrosion vorgebeugt werden muß. Dies läßt sich dadurch bewerkstelli­ gen, daß das Gerüst und/oder das Wasserrad aus Kunststoff besteht, insbe­ sondere aus Kunststoffplatten zusammengeklebt und/oder -geschweißt ist. Ne­ ben der absoluten Korrosionsfreiheit ist Kunststoff ein überaus preiswertes Rohmaterial, das unschwer zu verarbeiten ist. Außerdem weist es eine geringe Trägheitsmasse auf, so daß es leicht anläuft, und ein äußerst geringes Ge­ wicht, so daß ein Hüttenbesitzer die erfindungsgemäße Anordnung nötigenfalls auch zu Fuß auf die Almhütte transportieren kann.

Ein besonders stark beanspruchtes Teil des erfindungsgemäßen Wasserkraft­ werks ist die Drehwelle des Wasserrads, da hier einerseits relativ große Drehmomente übertragen werden müssen und andererseits wenig träge Masse vorhanden sein sollte. Diesen Ansprüchen wird die Erfindung dadurch gerecht, daß die Drehwelle des Wasserrads aus einem Kunststoff mit hoher Festigkeit, insbesondere aus Polyethylenterephthalat, gefertigt, und vorzugsweise kugel­ gelagert ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile auf der Basis der Erfindung erge­ ben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Er­ findung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wasser­ kraftwerks, wobei die Riemenscheibe und der Elektrogenerator deutlich zu sehen sind;

Fig. 2 eine weitere, perspektivische Ansicht derselben Anordnung, der besonders der Aufbau des Wasserrads zu entnehmen ist;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Fig. 2 entlang der Linie III-III; sowie

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Wasserkraftwerk 1 zu sehen, das aus der Energie eines Baches Strom erzeugt. Es ist zu diesem Zweck mittels eines kur­ zen Rohransatzes 2 an ein durch eine Wiese 3 verlaufendes Bächlein ange­ schlossen, welches in einer Entfernung von einigen 100 m entspringt und im Bereich der Fig. 1 ursprünglich in einen größeren Bach 4 mündete. Durch das Rohr 2 bleibt der Niveauunterschied des Wiesenbächleins gegenüber dem Wasserpegel des größeren Bachs 4 erhalten, was besonders deutlich an einem Stützpfosten 5 zu sehen ist, der das Rohr 2 trägt und im Grund des Bachbetts 4 verankert ist. Hierbei reicht ein Höhenunterschied von 30 bis 50 cm völlig aus, um mit dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk 1 eine elektrische Leistung von mehr als 100 Watt zu erzeugen.

Dies gelingt durch eine effiziente Anordnung eines Wasserrads 6, die dem Wiesenbächlein nahezu die gesamte, in der Höhendifferenz zu dem größeren Bach 4 gespeicherte, potentielle Energie zu entziehen vermag, sowie durch eine äußerst verlustarme Ankopplung eines durch Permanentmagnet(e) erreg­ ten Elektrogenerators 7 von hohem Wirkungsgrad. Das Wasserrad 6 weist etwa acht Flügel 8 auf, die unter gleich großen Zwischenwinkeln etwa strahlenartig von einer Drehwelle 9 auskragen. Um eine starre Konstruktion des Wasserrads 6 zu erhalten, sind Kreisringscheiben 12 konzentrisch an der Welle 9 festgelegt und tragen die Flügel 8. Zum Schutz vor Korrosion sind alle Bestandteile 8, 9, 12 des erfindungsgemäßen Wasserrads 6 aus Kunststoff gefertigt; die Flügel 8 und Kreisringscheiben 12 sind hierbei aus Kunststoffplatten ausgesägt und mittels einer Schweißpaste in der dargestellten, strahlenförmigen Anordnung miteinander verschweißt. Diese in sich starre Anordnung ist wiederum an der Drehwelle 9 angeklebt oder ebenfalls angeschweißt um größere Kräfte übertra­ gen zu können. Die Flügel 8 sind im Bereich ihrer Außenkanten 13 mit einer Konturierung versehen, die durch Biegen der erhitzten Flügelplatten 8 herge­ stellt werden kann.

Dieses Wasserrad 6 ist in einem etwa U-förmigen Gerüst gelagert, das aus ei­ nem horizontalen Mittelteil und zwei dazu lotrecht nach oben auskragenden Seitenschenkeln gebildet ist. Diese Seitenschenkel sind aus zueinander pa­ rallelen Kunststoffplatten mit einer Stärke von etwa 2 cm gebildet und mit je einem Lagerungseinsatz 18 versehen, in welche die Drehachse 9 des Wasser­ rads 6 eingeschoben ist. Bei den Lagerungseinsätzen 18 handelt es sich vor­ zugsweise um Kugellager, die preiswert sind und wenig Reibungsverluste ha­ ben. Dieses Gerüst 14 bildet eine stabile Halterung für das Wasserrad 6.

Um die potentielle Energie des Wiesenbächleins möglichst vollständig umset­ zen zu können, muß Sorge dafür getragen werden, daß dessen Wasser nicht an dem Wasserrad 6 vorbei strömen kann. Dies wird bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform dadurch bewirkt, daß die beiden Seitenschenkel des U-Gerüsts 14 als langgestreckte Strömungsleitbleche 22, 23 ausgeführt sind, welche das heranströmende Wasser 24 dem Wasserrad 6 zuführen. Da­ mit das U-Gerüst 14 nicht auf der Erde aufgesetzt werden muß, sondern zur besseren Ausnutzung eines Höhenunterschieds auch zumindest teilweise frei­ tragend aufgestellt werden kann, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, ist der Mit­ telteil 15 des U-Gerüsts 14 in Form einer die beiden Strömungsleitflächen 22, 23 bis zu deren Einlauf 25 und Auslauf begleitende Bodenplatte ausgebildet und entlang der Unterkanten 26 der Strömungsleitflächen 22, 23 wasserdicht mit diesen verbunden, bspw. verschweißt, so daß sich eine Rinne 27 mit recht­ eckförmigem Querschnitt ergibt. Die Rinne 27 kann auch aus einer Kunststoff­ platte durch doppeltes Umbiegen des erwärmten Kunststoffs hergestellt wer­ den. Zur Stabilisierung der Strömungsleitflächen 22, 23 können dieselben im Bereich ihrer Oberkanten 34 durch querverlaufende Brücken 36 versteift sein.

Hierbei ist der Abstand 28 zwischen den beiden Strömungsleitflächen 22, 23 geringfügig größer als die Breite 29 des Wasserrads 6, und der Abstand 30 der Drehwelle 9 gegenüber der Bodenplatte 15 ist allenfalls um wenige mm größer als der Radius 31 des Wasserrads 6, so daß die Rinne 27 durch das jeweils vertikal nach unten gerichtete Flügelblatt 8 nahezu vollständig versperrt ist.

Die Rinne ist gegenüber der Horizontalen in einem Winkel zwischen etwa 10° und etwa 30° nach abwärts geneigt, um dem Wasser ein Abfließen zu ermögli­ chen. Wird das Wasserrad 6 abgebremst, bspw. durch den Elektrogenerator 7, so staut sich stromaufwärts das Oberwasser 32 des Wiesenbächleins auf. Da­ durch steigt der Wasserspiegel 33 dort an und führt zu einer Erhöhung des auf die unteren Flügel 8 einwirkenden Wasserdrucks, wodurch sich das Drehmo­ ment des Wasserrads 6 erhöht. Dieser Effekt ist erwünscht, da hierdurch ein maximaler Energiebetrag entnommen werden kann; andererseits darf der Was­ serspiegel 33 jedoch nicht über das Niveau der Drehwelle 9 ansteigen, da sol­ chenfalls die Flügel 8 bald Oberwasser 32 erhalten und dadurch die Bewegung des Wasserrads 6 gehemmt wird. Deshalb ist die Höhe 35 der beiden Strö­ mungsleitflächen 22, 23 geringer bemessen als der Abstand 30 der Drehwelle 9 von der Bodenplatte 15, und der Wasserspiegel 33 kann nicht bis über das Ni­ veau 35 der Oberkanten 34 der beiden Strömungsleitflächen 22, 23 ansteigen.

Die Drehwelle 9 ist im Bereich eines Seitenschenkels 22 über den Lagerungs­ einsatz 18 hinaus verlängert und mit einer aufgesetzten Riemenscheibe 37 ver­ sehen. Diese Riemenscheibe 37 ist mit einer zentralen Bohrung versehen und auf die Drehwelle 9 führend aufgesteckt. Um das relativ hohe Drehmoment des mit langsamer Winkelgeschwindigkeit rotierenden Wasserrads 6 auf die Rie­ menscheibe 37 übertragen zu können, ist an deren Außenseite 38 eine metalli­ sche Kreisscheibe 39 mittels kranzförmig angeordneter Schrauben 40 konzen­ trisch angeschraubt. Eine weitere, große Schraube 41 durchsetzt die Metall­ scheibe 39 und ist in die Drehwelle 9 koaxial eingeschraubt. Die Schraube 41 kann relativ groß dimensioniert sein, so daß die Kreisscheibe 39 mit hohem Druck gegen die Stirnseite der Drehwelle 9 gepreßt wird, woraus ein hohes Reibungsmoment resultiert, das auch die Übertragung hoher Drehmomente zuläßt.

Die Bodenplatte 15 des durch die Strömungsleitflächen 22, 23 zu einer Rinne 27 verlängerten U-Gerüsts 14 ist an der Außenseite desjenigen Seitenschen­ kels 16, an dem sich die Riemenscheibe 37 befindet, in Form eines Montage­ randes 43 verbreitert. Dieser dient zur Befestigung des Elektrogenerators 7. Dieser ist so angeordnet, daß seine Antriebswelle 46 parallel zur Drehwelle 9 des Wasserrads 6 verläuft. Auf diese Drehwelle 46 ist eine elastische Hülse 47, vorzugsweise aus Gummi, reibschlüssig aufgepreßt. Diese Gummihülse 47 dient als Lauffläche für den eigentlichen Antriebsriemen 48, der außerdem um die Mantelfläche der Riemenscheibe geschlungen ist. Um den Riemen 48 spannen zu können, sind am Gehäusemantel 49 des Elektrogenerators 7 zwei zueinander parallele Metallprofile 50 befestigt, welche etwa lotrecht zur An­ triebswelle 46 verlaufen. Jedes dieser beiden Profile 50 ist mit zwei endseitigen Langlöchern versehen, die von je einer durch die Bodenplatte 15 hindurchge­ steckten Schraubverbindung 52 durchgriffen werden. Durch Lösen der Schraubverbindungen 52 kann der Elektrogenerator 7 mitsamt der Profile 50 gegenüber der Bodenplatte 15, 43 verschoben werden, bis der Riemen 48 ge­ spannt ist, und anschließend können die Schraubverbindungen 52 wieder an­ gezogen werden.

Mit einem Anschlußkabel 53 kann die erzeugte Energie zu einem Verbraucher, bspw. einer Hüttenbeleuchtung, geführt werden. Sobald diese eingeschalten wird, so wird der Elektrogenerator 7 belastet und bremst dadurch das Wasser­ rad 6 ab. Wenn sich dessen Winkelgeschwindigkeit reduziert, steigt der Was­ serspiegel 33 des Oberwassers 32 an, so daß infolge eines erhöhten Wasser­ drucks auch das Drehmoment anwächst und von dem Elektrogenerator 7 die jeweils gewünschte Strommenge abgegeben wird. Die von dem Wasserrad 6 erzeugte Energie erreicht ihr Maximum, wenn der Wasserspiegel 33 des aufge­ stauten Oberwassers 32 sich auf Höhe der Oberkante 34 einer Strömungsleit­ fläche 22, 23 befindet. Wird in besonderen Anwendungsfällen ein größeres Maß an Energie benötigt, so müssen mehrere Wasserräder 6 entlang der Rin­ ne 27 hintereinander angeordnet werden. Jedes dieser Wasserräder 6 kann mit einem eigenen Elektrogenerator 7 versehen sein, oder aber über zusätzliche Riemen 48 mit ein und demselben Elektrogenerator 7 gekoppelt sein, der sol­ chenfalls für höhere Nennwerte auszulegen ist.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform stellt eine Anordnung für kleine Wiesenbächlein dar, welche vollständig in eine Rinne eingeleitet werden können. Hierfür ist eine Wasserbarriere nicht unbedingt erforderlich, so daß dieselbe abnehmbar ausgebildet ist, um statt dessen ein Zulaufrohr einschie­ ben zu können.

Bei größeren Bachläufen und/oder bei Wasserläufen, die sich wegen der natür­ lichen Erosion unterhalb des umgebenden Geländeniveaus befinden, ist erfin­ dungsgemäß vorgesehen, das U-Gerüst direkt in den Wasserlauf zu stellen. Hierbei wird der Elektrogenerator etwa mittig oberhalb des U-Gerüsts, in Was­ serlaufrichtung etwas versetzt angeordnet. Die Ankopplung erfolgt hierbei ebenfalls bevorzugt über Riemen; die Drehzahlübersetzung wird durch unter­ schiedliche Durchmesser zweier Riemenscheiben bewerkstelligt, die auf einer oberhalb des Wasserrads gelagerten Zwischenwelle befestigt sind. Damit jeder Wasserrad und Zwischenwelle koppelnde Riemen gespannt werden kann, sieht die Erfindung eine zusätzliche Spannrolle 86 vor. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 4 wiedergegeben.

Dieses Wasserkraftwerk 60 läßt die erfindungsgemäße Anordnung deutlicher erkennen. Im Gegensatz zu der eingangs beschriebenen Ausführungsform 1 sind hier zwischen den beiden, durch eine Bodenplatte 61 und eine oberseitige Abdeckung 62 miteinander verbundenen Strömungsleitflächen 63, 64 insge­ samt drei Wasserräder 65 hintereinander gelagert. Die Drehmomente des stromaufwärtigen Wasserrades 65 sowie des stromabwärtigen Wasserrades werden durch je einen Riemen 66, 67 auf die Welle 68 des mittleren Wasserra­ des übertragen und dadurch zu dessen Drehmoment addiert. Zum Abtrieb der hier zur Verfügung stehenden Leistung dient eine auf der Welle 68 montierte Riemenscheibe 69, deren Durchmesser etwa dem Durchmesser des Wasser­ rades und somit der Höhe der Strömungsleitflächen 63, 64 entspricht. Oberhalb der Abdeckung 62 befindet sich eine Welle 70, auf welcher der um die Riemen­ scheibe 69 geschlungene Riemen 71 direkt abrollen kann und dadurch eine maximale Drehzahlübersetzung der Welle 70 gegenüber der Wasserrad-Welle 68 hervorruft. Eine weitere, auf der Welle 70 montierte Riemenscheibe 72 hat einen mit der Riemenscheibe 69 vergleichbaren Durchmesser und bildet zu­ sammen mit der Drehachse 73 des auf der Abdeckung 62 montierten 74 Elek­ trogenerators 75 die zweite Stufe des erfindungsgemäßen Getriebes, so daß der Elektrogenerator 75 mit einer hohen Drehzahl angetrieben wird und dem­ nach auch bei nur mäßiger Anströmung der Wasserräder 65 seine Nennlei­ stung abgeben kann. Sämtliche Riemen 66, 67, 71, 76 können zur Vermeidung eines all zu großen Schlupfes als Zahnriemen ausgebildet sein.

Damit die seitlichen Getriebeelemente 66 bis 69 nicht unter Wasser laufen müssen, ist im stromaufwärtigen Bereich der Strömungsleitfläche 63 eine seitli­ che Wasserbarriere 77 vorgesehen, die sich gegebenenfalls bis zu der Bö­ schung des betreffenden Bachs erstreckt und hier dicht abschließt.

Weiterhin sind die stromaufwärtigen Kanten 78, 79 der beiden Strömungsleit­ flächen 63, 64 in ihrem oberen Bereich durch eine quer verlaufende Wasser­ barriere 80 miteinander verbunden. Diese reicht mit ihrer Oberkante 81 bis zu den in diesem Bereich etwa bis auf das Niveau der Drehachse 82 des obersten Wasserrads 65 abgesenkten Oberkanten 83 der beiden Strömungsleitflächen 63, 64 heran. In ihrem unteren Bereich endet die Wasserbarriere 80 an einer horizontalen Unterkante 84, die zusammen mit der Bodenplatte 61 einen Was­ sereintrittsschlitz bildet. Da die Unterkante 84 deutlich unterhalb des Niveaus der Wasserrad-Drehachse 82 liegt, kann auch bei Hochwasserpegel in dem oberen Bereich 85 des Wasserkraftwerks 60 das Wasser nicht bis über die Drehachse 82 aufgestaut werden, so daß das Wasserrad 65 nicht gebremst wird. Sollte dennoch zu viel Wasser aufgestaut werden, kann dieses über die seitlich abgesenkten Oberkanten 83 der Strömungsleitflächen 63, 64 abfließen.

Damit das stromaufwärts der Wasserbarriere 80 aufgestaute Wasser schnell abfließen kann, ist diejenige Strömungsleitfläche 63, an der sich die seitlichen Getriebeelemente 66 bis 69 befinden, gegenüber der anderen Strömungsleit­ fläche 64 stromaufwärts verlängert ausgebildet, so daß die Wasserbarriere 80 nicht lotrecht zu der Hauptströmungsrichtung des betreffenden Baches orien­ tiert ist und das überschüssige Wasser, welches nicht unter der Wasserbarriere 80 hindurchtreten kann, zu der gegenüberliegenden Strömungsleitfläche 64 hin ablenkt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Bodenplatte 61 bis zu den beiden Vorderkanten 78, 79 der seitlichen Strömungsleitflächen 63, 64 verlängert, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Die Bodenplatte 61 kann auch in einer zu der Drehachse 82 parallelen Kante auslaufen. Weiterhin ist es möglich, die Wasserbarriere 80 nach oben/auswärts gegenüber der Boden­ platte 61 zu neigen, so daß auch bei einer erheblichen Neigung des erfin­ dungsgemäßen Wasserkraftwerks 60 infolge eines starken Bachgefälles die Höhe der Barrierenoberkante 81 gegenüber der Bodenplatte 61 nicht reduziert wird.

Claims (30)

1. Wasserkraftwerk (1; 60) für kleine bis mittelgroße Bäche, mit folgenden Bestandteilen:

• a) ein querschnittlich etwa U-förmiges Gerüst (14), zwischen dessen freien Schenkeln (22, 23) eine quer verlaufende Welle (9; 82) drehbar gelagert (18) ist;
• b) ein an der quer verlaufenden Welle (9) befestigtes Wasserrad (6; 65) mit mehreren Flügeln (8);
• c) eine Riemenscheibe (37; 87), die an der Drehwelle (9; 82) unver­ drehbar festgelegt ist;
• d) einen Elektrogenerator (7; 75) mit einer Antriebswelle (46; 73);
• e) wenigstens einen Riemen (48; 66, 71, 76) zur mechanischen Kopplung der Riemenscheibe (37; 87) mit der Antriebswelle (46; 73) des Elektrogenerators (7; 75),

gekennzeichnet durch

• 1. eine stromaufwärts des Wasserrads (6; 65) angeordnete, die frei­ en Schenkel (22, 23; 63, 64) des U-förmigen Gerüsts (14) ober­ halb von dessen horizontalen Mittelteil (15; 61) miteinander ver­ bindende Barriere (80) zur Begrenzung der das Wasserrad (6; 65) anströmenden Wassermenge.

2. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schenkel (22, 23) des U-Gerüsts (14) als wasserdichte Strömungsleitflä­ chen (63, 64) ausgebildet sind.

3. Wasserkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitflächen (22, 23; 63, 64) lotrecht zu der Drehwelle (9; 82) verlaufen.

4. Wasserkraftwerk nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zwei zueinan­ der etwa parallele Strömungsleitflächen (22, 23; 63, 64), deren Abstand (28) wenig größer ist als die Breite (29) des Wasserrads (6; 65).

5. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsleitflächen (22, 23; 63, 64) langgestreckte Aufstandsflächen (20) aufweisen.

6. Wasserkraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandsflächen (20) der Strömungsleitflächen (22, 23; 63, 64) durch eine zu dem Mittelteil (15) des U-Gerüsts (14) parallele Bodenplatte (61) miteinander verbunden sind, so daß sich ein etwa rinnenförmiger (27) Querschnitt ergibt, wobei der Radius (31) des Wasserrads (6; 65) wenig kleiner ist als der Abstand (30) seiner Lagerpunkte (9, 18) zu der Boden­ platte (61).

7. Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (8) des Wasserrads (6; 65) etwa bis an seine Drehwelle (9; 82) heranreichen.

8. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die stromaufwärts des Wasserrads (6; 65) liegenden Oberkanten (34; 83) der Strömungsleitflächen (22, 23; 63, 64) unterhalb der Lagerungspunkte (9, 18) des Wasserrads (6; 65) liegen.

9. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die im Bereich eines Wasserrads (65) liegenden Teile der Strömungsleitflächen (63, 64) bis über die Wasserräder (65) reichen und durch eine oberseitige Abdeckung (62) miteinander verbunden sind.

10. Wasserkraftwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die oberseitige Abdeckung (62) als Montageplattform für den Elektrogene­ rator (75) dient.

11. Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserabweisende Barriere (80) eine etwa flä­ chige Gestalt aufweist.

12. Wasserkraftwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der wasserabweisenden Barriere (80) etwa lotrecht zu der Strömungsrichtung des Bachs orientiert ist.

13. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die wasserabweisende Barriere (80) an den stromaufwär­ tigen Kanten (78, 79) der Strömungsleitflächen (63, 64) angeordnet ist.

14. Wasserkraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strömungsleitflächen (63, 64) an ihren stromaufwärtigen Enden (78, 79) unterschiedliche Längen aufweisen, so daß die wasserabwei­ sende Barriere (80) mit der Achse (82) des Wasserrades (65) einen vor­ zugsweise spitzen Winkel einschließt.

15. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unterkante (84) der wasserabweisenden Barriere (80) etwa horizontal verläuft in einem Abstand zu dem horizontalen Mittelteil (61), der kleiner ist als der Radius des Wasserrads (65).

16. Wasserkraftwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Unterkante (84) der wasserabweisenden Barriere (80) zu der Bodenplatte (61) etwa dem viertel Radius des Wasserrads (65) ent­ spricht.

17. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberkante (81) der wasserabweisenden Barriere (80) etwa der Oberkante (83) des stromaufwärtigen Endes der Strömungs­ leitflächen (63, 64) entspricht.

18. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsleitflächen (63, 64) stromabwärts des Was­ serrads (65) verlängert sind und in einem Abstand zu dem ersten Was­ serrad (65), welcher größer ist als dessen Durchmesser, zwei weitere Lagerungspunkte für ein zweites Wasserrad (65) aufweisen.

19. Wasserkraftwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß in gleichbleibenden Abständen mehrere Wasserräder (65) gelagert sind.

20. Wasserkraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wasserräder (65) untereinander und/oder an den selben Elektrogenera­ tor (75) gekoppelt (66, 67, 71, 76) sind.

21. Wasserkraftwerk nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (68, 82) mehrerer Wasserräder (65) untereinander über Riemen (66, 67) gekoppelt sind.

22. Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserräder-Wellen (68, 82) über ein mehrstu­ figes Übersetzungsgetriebe, vorzugsweise Riemengetriebe (68-73, 76), mit dem Elektrogenerator (75) gekoppelt sind.

23. Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (42) der (größten) Riemenscheibe(n) (37; 69, 72) etwa dem Radius (31) eines Wasserrads (6; 65) entspricht oder größer ist als dieser.

24. Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Riemenscheibe(n) (37; 69, 72, 87) seitlich au­ ßerhalb des betreffenden Schenkels des U-förmigen Gerüsts (14) und/oder der betreffenden Strömungsleitlläche (22, 23; 63) angeordnet ist (sind).

25. Wasserkraftwerk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß seitli­ che Riemengetriebe (66-71) stromabwärts einer seitlichen Wasserbar­ riere (77), gegebenenfalls innerhalb eines seitlichen Trogs, angeordnet ist.

26. Wasserkraftwerk nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Riemengetriebe (66-71) an der längeren (63) der beiden Strömungsleit­ flächen angeordnet ist.

27. Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (29) des Wasserrads (6; 65) etwa dem ein- bis zehnfachen, vorzugsweise zwei- bis fünffachen seines Radius (31) entspricht.

28. Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das U-Gerüst (14; 61, 63, 64) und/oder das Was­ serrad (6; 65) aus Kunststoff besteht, insbesondere aus Kunststoffplat­ ten zusammengeklebt und/oder -geschweißt ist.

29. Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwelle (9; 82) des Wasserrads (6; 65) aus einem Kunststoff mit hoher Verdrehfestigkeit, insbesondere aus Polye­ thylenterephthalat, besteht.