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Die Erfindung richtet sich auf ein Wasserkraftwerk für kleine bis mittelgroße Bäche nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Wasserkraftanlagen bieten gegenüber Windgeneratoren oder Photovoltaikanlagen die Möglichkeit, eine zeitlich relativ konstante Energiemenge zu erzeugen. Wasserkraftanlagen sind jedoch relativ aufwendig, da hierbei Turbinen und Stauvorrichtungen mit Wasserkanälen notwendig sind, welche sich erst bei größeren Leistungen rentieren. Deshalb werden Wasserkraftwerke üblicherweise im Bereich von größeren Flüssen installiert, welche eine Unmenge von Schlamm und Treibgut mitführen, so daß eine leistungsfähige Wasserfilterung zum Schutz der Turbine notwendig ist. Der Aufwand für derartige Wasserkraftanlagen ist derart hoch, daß sie für eine dezentrale Energieversorgung ungeeignet sind; bei geringen Energieausbeuten sind derartige Konstruktionen völlig unwirtschaftlich.
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Andererseits können bei kleineren Wasserkraftanlagen für Bäche aufgrund des gegebenenfalls erheblichen Oberflächenwassers in Regenperioden stark schwankende Wasserpegel auftreten, welche in nutzbare Energie umzuwandeln sind. Eine gattungsgemäße Anordnung ist aus der
DE 196 48 933 A1 bekannt, die in den
1 bis
3 dieser Anmeldung und im speziellen Beschreibungsteil beschrieben ist. Diese ist jedoch für Wasserläufe mit einem großen Hochwasserspiegel ungeeignet, weil dann das Wasserrad Oberwasser bekommt und dadurch gebremst wird.
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Einen anderen Stand der Technik bildet die deutsche Patentschrift
DE 86694 . Dort sind die seitlichen Lager für die horizontale Welle des Wasserrades an einem ebenen Sockel aufgesetzt; mithin ist das Mittelteil nicht in Richtung der Wasserströmung abwärts geneigt.
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Die aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 93 07 178 U1 vorbekannte Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischem Strom ist als schwimmender Hohlkörper ausgebildet mit einem Schaumstoff-Schwimmkörper, welcher der Waagrechthaltung der Vorrichtung dient. Da die Bodenplatte dieser vorbekannten Anordnung parallel zu dem Schaumstoff-Schwimmkörper orientiert ist, verläuft diese während des Betriebs ebenfalls horizontal, so dass auch bei dieser Anordnung das Mittelteil nicht abwärts geneigt ist.
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Bei der US-Patentschrift
US 1 374 801 A ist die Anordnung ebenfalls als schwimmende Barke ausgebildet, wobei ein unterhalb des Wasserrades angeordnetes Bodenteil der Barke in Richtung der Wasserströmungsrichtung nicht nach abwärts, sondern sogar nach aufwärts geneigt verläuft. Auch bei dieser Anordnung ist demnach das Mittelteil nicht nach abwärts geneigt.
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Schließlich ist auch bei der
DE 38 13 958 C2 kein nach abwärts geneigtes, rinnenförmiges Teil zu erkennen; auch dort ist der Balken horizontal. Außerdem ist dort ein „Unterwasserkraftwerk” offenbart, das unter Wasser arbeitet, sodass sich keine Beeinträchtigungen des Schiffsverkehrs, der Landschaft oder der natürlichen Beschaffenheit des Gewässers ergibt. Dies ist nicht möglich bei kleinen bis mittelgroßen Wasserläufen mit stark schwankendem Wasserpegel, da dort im Sommer sogar eine Austrocknung auftreten kann, sodass ein Betrieb unter Wasser dann grundsätzlich nicht möglich ist.
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Aus diesen Nachteilen des vorbekannten Stands der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein Wasserkraftwerk zu schaffen, welches gerade auch bei kleineren Leistungen eine wirtschaftliche Erzeugung von elektrischer Energie möglich macht, die dezentral verfügbar ist, wobei eine Leistungsabgabe auch bei stark schwankendem Wasserpegel gewährleistet sein soll.
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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 gelagert 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 Elektrogenerators kann die erzeugte, elektrische Energie abgegriffen und zu dem Verbraucher, bspw. einem Weidezaun, einer Beleuchtungsanlage für eine Berghütte od. dgl., geleitet werden.
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Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung des Wirkungsgrads des erfindungsgemäßen 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 laminare 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 maximale Relativströmungsgeschwindigkeit ergibt, die eine besonders hohe Energieausbeute zuläßt.
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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 Drehbewegung des Wasserrads beiträgt.
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Indem die Strömungsleitfläche(n) eine langgestreckte Aufstandsfläche aufweist (-en), kann dieser (-n) gleichzeitig die Aufgabe einer mechanischen Stabilisierung übertragen werden, indem einem Umkippen des U-förmigen Halterungsgerüsts infolge des Wasserdrucks wirkungsvoll begegnet wird.
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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.
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Das Kernstück des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks wird durch das unterschlächtige 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 erfindungsgemäße 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.
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Um dem solchermaßen aufgestauten Oberwasser jegliche Möglichkeit eines Vorbeifließens zu nehmen, ist weiterhin vorgesehen, daß die Flügel des Wasserrads 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 Oberkanten der Strömungsleitflächen unterhalb der Lagerungspunkte des Wasserrads 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.
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Andererseits sind insbesondere im Bereich von Wäldern aufgestellte Wasserkraftwerke der Gefahr herabfallenden Laubes oder herabstürzender Äste ausgesetzt, und derartige Reste könnten schnell zu einem Verstopfen oder Blockieren des Wasserrads führen. Deshalb sieht die Erfindung vor, daß die im Bereich eines Wasserrads liegenden Teile der Strömungsleitflächen bis über die Wasserräder reichen und durch eine oberseitige Abdeckung miteinander verbunden sind. Diese Abdeckung kann der Gesamtanordnung darüber hinaus eine zusätzliche Stabilität verleihen. Ferner kann sie zur Montage des Elektrogenerators verwendet werden, so daß dieser an dem höchsten Punkt der Anordnung und somit außerhalb der Reichweite des Hochwasserpegels an einer stabilen Plattform angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Barriere kann zur Materialersparnis etwa flächig ausgebildet 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 Oberwasser, welches bremsend auf dessen Rotationsbewegung einwirken könnte.
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Das überschüssige Wasser muß solchenfalls an dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk vorbeigeleitet werden. Hierzu befindet sich die erfindungsgemäße Barriere an den vordersten, stromaufwärtigen Kanten der Strömungsleitflächen, so daß der seitliche Abfluß des überschüssigen Wassers nicht behindert 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 miteinander verbindet, mit der Achse des Wasserrades einen vorzugsweise spitzen Winkel einschließt, mithin nicht lotrecht, sondern geneigt gegenüber der Hauptströmungsrichtung des betreffenden Baches verläuft.
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Die Unterkante der wasserabweisenden Barriere verläuft bevorzugt horizontal und definiert zusammen mit der Bodenplatte der Anordnung einen Wassereintrittsschlitz, 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 Anordnung 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 bestimmt sich nach dem dadurch hervorgerufenen Staudruck, der das Gleichgewicht zu dem Strömungsdruck des fließenden Wassers herbeiführt. Bei der erfindungsgemäßen 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 aufgestaute Wasser über die seitlichen Strömungsleitflächen abfließen und beeinträchtigt 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.
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Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, daß die Strömungsleitflächen bei genügendem Gefälle stromabwärts des Wasserrads verlängert sind und in einem Abstand zu dem ersten Wasserrad, welcher größer ist als dessen Durchmesser, zwei weitere Lagerungspunkte für ein zweites Wasserrad aufweisen.
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Hiermit läßt sich die abgegebene Energie gegenüber der einrädrigen Ausführungsform verdoppeln. Eine weitere Vervielfachung der gelieferten Energiemenge ist dadurch möglich, daß in Abständen, die je nach Gefälle variieren können, mehrere Wasserräder gelagert sind. Infolge der durch die gemeinsamen Strömungsleitflächen untereinander verbundenen Gerüste für die einzelnen Wasserräder sind deren Abstände fest vorgegeben, so daß eine mechanische Kopplung bspw. über jeweils einen Riemen mit dem nächsten Rad möglich 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 größeren Dimensionierung wirtschaftlicher ist als eine größere Anzahl einzelner Generatoren. Die Addition der einzelnen Leistungen der Wasserräder kann auch direkt auf der Antriebswelle des Elektrogenerators erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk wird vorzugsweise an langsam strömenden Bächen eingesetzt, während handelsübliche Elektrogeneratoren erst ab einer relativ hohen Drehzahl ihre volle Leistung abgeben können. Es ist daher notwendig, die langsame Drehzahl der Wasserräder in eine schnelle Drehzahl des angekoppelten Elektrogenerators umzusetzen, was vorzugsweise über ein mehrstufiges Getriebe, vorzugsweise ein Riemengetriebe bewerkstelligt werden kann. Bei derartigen Getriebekonstruktionen wird der unterschiedliche 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 entsprechend gewählt werden, während die jeweils kleinen Riemenscheiben nicht viel größer sein müssen als die dadurch angetriebenen Wellen. Da die Wasserräder 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 ausgebildet sein.
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Da die Strömungsleitflächen den großen Vorteil bieten, die Wasserströmung von der Außenseite der erfindungsgemäßen Anordnung vollständig fernzuhalten, 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 Riemenscheibe angebotene Leistung weitgehend verlustfrei auf die Welle des Elektrogenerators übertragen kann.
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Um dies zu erreichen, kann das seitliche Riemengetriebe stromabwärts einer seitwärts an der betreffenden Strömungsleitfläche angeordneten Wasserbarriere 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 sichergestellt sein, daß solchenfalls das seitlich abfließende Wasser an der gegenüberliegenden Seite der Anordnung vorbei strömen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß das hinter einer Wasserbarriere oder in einem seitlichen Trog angeordnete Riemengetriebe sich an der längeren der beiden Strömungsleitflächen befindet, von der das überschüssige Wasser durch die geneigt angeordnete Strömungsleitfläche weggelenkt wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung entspricht die Breite des Wasserrads 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 gewonnen wird, die wiederum proportional zu der maximalen Stauhöhe und damit zu dem Radius des Wasserrads ist. Andererseits sind mittelgroße Bäche üblicherweise relativ flach und die Erfindung bietet die Möglichkeit, ohne größeren Eingriff in die Natur die gesamte Breite des Bachs nutzen zu können.
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Ein besonders wichtiger Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Langlebigkeit des Wasserkraftwerks, damit die Investitionskosten sich über einen 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 Herabsetzung der Lebenserwartung der erfindungsgemäßen Anordnung infolge vorzeitiger Korrosion vorgebeugt werden muß. Dies läßt sich dadurch bewerkstelligen, daß das Gerüst und/oder das Wasserrad aus Kunststoff besteht, insbesondere aus Kunststoffplatten zusammengeklebt und/oder -geschweißt ist. Neben 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 Gewicht, so daß ein Hüttenbesitzer die erfindungsgemäße Anordnung nötigenfalls auch zu Fuß auf die Almhütte transportieren kann.
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Ein besonders stark beanspruchtes Teil des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks 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 kugelgelagert ist.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Wasserkraftwerks nach dem Stand der Technik gemäß
DE 196 48 933 A1 , wobei die Riemenscheibe und der Elektrogenerator deutlich zu sehen sind;
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2 eine weitere, perspektivische Ansicht derselben Anordnung, der besonders der Aufbau des Wasserrads zu entnehmen ist;
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3 einen Schnitt durch die 2 entlang der Linie III-III; sowie
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4 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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In 1 ist ein Wasserkraftwerk 1 gemäß dem Stand der Technik zu sehen, das aus der Energie eines Baches Strom erzeugt. Es ist zu diesem Zweck mittels eines kurzen Rohransatzes 2 an ein durch eine Wiese 3 verlaufendes Bächlein angeschlossen, welches in einer Entfernung von einigen 100 m entspringt und im Bereich der 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 gemäß dem Stand der Technik eine elektrische Leistung von mehr als 100 Watt zu erzeugen.
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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) erregten 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 Wasserrads 6 gemäß dem Stand der Technik 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 übertragen zu können. Die Flügel 8 sind im Bereich ihrer Außenkanten 13 mit einer Konturierung versehen, die durch Biegen der erhitzten Flügelplatten 8 hergestellt werden kann.
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Dieses Wasserrad 6 ist in einem etwa U-förmigen Gerüst gelagert, das aus einem horizontalen Mittelteil und zwei dazu lotrecht nach oben auskragenden Seitenschenkeln gebildet ist. Diese Seitenschenkel sind aus zueinander parallelen Kunststoffplatten mit einer Stärke von etwa 2 cm gebildet und mit je einem Lagerungseinsatz 18 versehen, in welche die Drehachse 9 des Wasserrads 6 eingeschoben ist. Bei den Lagerungseinsätzen 18 handelt es sich vorzugsweise um Kugellager, die preiswert sind und wenig Reibungsverluste haben. Dieses Gerüst 14 bildet eine stabile Halterung für das Wasserrad 6.
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Um die potentielle Energie des Wiesenbächleins möglichst vollständig umsetzen 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. Damit das U-Gerüst 14 nicht auf der Erde aufgesetzt werden muß, sondern zur besseren Ausnutzung eines Höhenunterschieds auch zumindest teilweise freitragend aufgestellt werden kann, wie dies in 1 dargestellt ist, ist der Mittelteil 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 rechteckförmigem Querschnitt ergibt. Die Rinne 27 kann auch aus einer Kunststoffplatte durch doppeltes Umbiegen des erwärmten Kunststoffs hergestellt werden. 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.
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Die Rinne ist gegenüber der Horizontalen in einem Winkel zwischen etwa 10° und etwa 30° nach abwärts geneigt, um dem Wasser ein Abfließen zu ermöglichen. Wird das Wasserrad 6 abgebremst, bspw. durch den Elektrogenerator 7, so staut sich stromaufwärts das Oberwasser 32 des Wiesenbächleins auf. Dadurch steigt der Wasserspiegel 33 dort an und führt zu einer Erhöhung des auf die unteren Flügel 8 einwirkenden Wasserdrucks, wodurch sich das Drehmoment des Wasserrads 6 erhöht. Dieser Effekt ist erwünscht, da hierdurch ein maximaler Energiebetrag entnommen werden kann; andererseits darf der Wasserspiegel 33 jedoch nicht über das Niveau der Drehwelle 9 ansteigen, da solchenfalls die Flügel 8 bald Oberwasser 32 erhalten und dadurch die Bewegung des Wasserrads 6 gehemmt wird. Deshalb ist die Höhe 35 der beiden Strömungsleitflächen 22, 23 geringer bemessen als der Abstand 30 der Drehwelle 9 von der Bodenplatte 15, und der Wasserspiegel 33 kann nicht bis über das Niveau 35 der Oberkanten 34 der beiden Strömungsleitflächen 22, 23 ansteigen.
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Die Drehwelle 9 ist im Bereich eines Seitenschenkels 22 über den Lagerungseinsatz 18 hinaus verlängert und mit einer aufgesetzten Riemenscheibe 37 versehen. 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 Riemenscheibe 37 übertragen zu können, ist an deren Außenseite 38 eine metallische Kreisscheibe 39 mittels kranzförmig angeordneter Schrauben 40 konzentrisch angeschraubt. Eine weitere, große Schraube 41 durchsetzt die Metallscheibe 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.
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Die Bodenplatte 15 des durch die Strömungsleitflächen 22, 23 zu einer Rinne 27 verlängerten U-Gerüsts 14 ist an der Außenseite desjenigen Seitenschenkels 16, an dem sich die Riemenscheibe 37 befindet, in Form eines Montagerandes 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 Antriebswelle 46 verlaufen. Jedes dieser beiden Profile 50 ist mit zwei endseitigen Langlöchern versehen, die von je einer durch die Bodenplatte 15 hindurchgesteckten 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 gespannt ist, und anschließend können die Schraubverbindungen 52 wieder angezogen werden.
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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 Wasserrad 6 ab. Wenn sich dessen Winkelgeschwindigkeit reduziert, steigt der Wasserspiegel 33 des Oberwassers 32 an, so daß infolge eines erhöhten Wasserdrucks 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 aufgestauten Oberwassers 32 sich auf Höhe der Oberkante 34 einer Strömungsleitfläche 22, 23 befindet. Wird in besonderen Anwendungsfällen ein größeres Maß an Energie benötigt, so müssen mehrere Wasserräder 6 entlang der Rinne 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 solchenfalls für höhere Nennwerte auszulegen ist.
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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 einschieben zu können.
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Bei größeren Bachläufen und/oder bei Wasserläufen, die sich wegen der natürlichen Erosion unterhalb des umgebenden Geländeniveaus befinden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das U-Gerüst direkt in den Wasserlauf zu stellen. Hierbei wird der Elektrogenerator etwa mittig oberhalb des U-Gerüsts, in Wasserlaufrichtung etwas versetzt angeordnet. Die Ankopplung erfolgt hierbei ebenfalls bevorzugt über Riemen; die Drehzahlübersetzung wird durch unterschiedliche 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 4 wiedergegeben.
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Dieses Wasserkraftwerk 60 läßt die erfindungsgemäße Anordnung deutlich 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 insgesamt 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 Wasserrades 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 Wasserrades und somit der Höhe der Strömungsleitflächen 63, 64 entspricht. Oberhalb der Abdeckung 62 befindet sich eine Welle 70, auf welcher der um die Riemenscheibe 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 zusammen mit der Drehachse 73 des auf der Abdeckung 62 montierten 74 Elektrogenerators 75 die zweite Stufe des erfindungsgemäßen Getriebes, so daß der Elektrogenerator 75 mit einer hohen Drehzahl angetrieben wird und demnach auch bei nur mäßiger Anströmung der Wasserräder 65 seine Nennleistung abgeben kann. Sämtliche Riemen 66, 67, 71, 76 können zur Vermeidung eines all zu großen Schlupfes als Zahnriemen ausgebildet sein.
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Damit die seitlichen Getriebeelemente 66 bis 69 nicht unter Wasser laufen müssen, ist im stromaufwärtigen Bereich der Strömungsleitfläche 63 eine seitliche Wasserbarriere 77 vorgesehen, die sich gegebenenfalls bis zu der Böschung des betreffenden Bachs erstreckt und hier dicht abschließt.
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Weiterhin sind die stromaufwärtigen Kanten 78, 79 der beiden Strömungsleitflächen 63, 64 in ihrem oberen Bereich durch eine quer verlaufende Wasserbarriere 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 Wassereintrittsschlitz 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.
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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 Strömungsleitfläche 64 stromaufwärts verlängert ausgebildet, so daß die Wasserbarriere 80 nicht lotrecht zu der Hauptströmungsrichtung des betreffenden Baches orientiert 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 Bodenplatte 61 zu neigen, so daß auch bei einer erheblichen Neigung des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks 60 infolge eines starken Bachgefälles die Höhe der Barrierenoberkante 81 gegenüber der Bodenplatte 61 nicht reduziert wird.
