DE202008013954U1

DE202008013954U1 - Wasserkraftanlage mit Wasserrädern, Schwimmkörpern, automatischer Höhenregulierung, Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaik

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Publication number: DE202008013954U1
Application number: DE202008013954U
Authority: DE
Original assignee: PEICKERT ULRICH JOACHIM CHRIST; Peickert Ulrich Joachim Christian Dipl-Arch; WEGENER KARLHEINZ JOACHIM; Wegener Karlheinz Joachim Dipl-Ok (oec)
Current assignee: PEICKERT ULRICH JOACHIM CHRIST; Peickert Ulrich Joachim Christian Dipl-Arch; WEGENER KARLHEINZ JOACHIM; Wegener Karlheinz Joachim Dipl-Ok (oec)
Priority date: 2008-10-18
Filing date: 2008-10-18
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2018-10-19
Also published as: DE202009011950U1

Abstract

Die Wasserkraftanlage mit Wasserrädern, Schwimmkörpern, automatischer Höhenregulierung, Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaik – im Folgenden als „Wasserkraftanlage" bezeichnet – besteht wie folgt aus notwendigen und fakultativen Komponenten, wobei die fakultativen Komponenten als solche ausgewiesen sind.
• einem oder mehreren Segmenten (6),
• diversen Verankerungskomponenten und Zubehör für die Verbindung zwischen den Segmenten (6)
• Verkabelung (30)
• fakultativ: Photovoltaikanlagen (33) und
• fakultativ: Kleinwindkraftanlagen (32)
Ein Segment (6) setzt sich aus folgenden Hauptkomponenten zusammen:
• zwei Schwimmkörper (1),
• ein Wasserrad (2),
• zwei Leitflächen (3),
• zwei Brücken (9) zwischen den Schwimmkörpern (1)
• zwei Hebevorrichtungen (5),
• vier Hebevorrichtungen (55),
• zwei Distanzsteuerungen (4),
• vier Distanzsteuerungen (44),
• eine Bodenprofilleiste (10),
• ein Generator mit Getriebe (11) oder ein Generator und Getriebe (11).
• zwei Stabilisierungseinheiten (15) zur Segmentkopplung mit Verbindungsbolzen...

Description

Segmente (6)
In 1 sind zwei Segmente (6) einer Anlage dargestellt, die nebeneinander positioniert und miteinander zu einer Segmentreihe (66) verbunden sind.
Jedes Segment (6) dieser Anlage besteht aus folgenden Hauptbestandteilen:

• zwei Schwimmkörper (1) mit diversen Bauteilen ((4), (44), (5), (55) u. a.),
• ein höhenregulierbares Wasserrad (2)
• zwei höhenregulierbare Leitflächen (3), die sich zwischen dem Wasserrad
• (2) und den Schwimmkörpern (1) befinden und normalerweise bis zum Flussbett reichen (Ausnahme: extremes Hochwasser)
• Verankerungskomponenten ((25), (26), (27) – 13, 14, 15, 16) und ((12), (13) – 12).

Die Segmente (6) können im Flussbett ((19) – 15), am Ufer ((20) – 14) und auf einer Buhne ((23) – 16) verankert oder an einer Gierseilfährenverankerung ((22) – 13) über Dalben oder Anker (21 – 14) befestigt werden.
Eine Wasserkraftanlage kann aus einem einzelnen Segment (6) oder mehreren Segmenten ((6) – 1) bestehen.
Mehrere Segmente können nebeneinander zu einer Segmentreihe (66) zusammengesetzt werden (1, 13, 14, 15, 16).
Mehrere Segmentreihen ((66) – 13, Fig. 14, 15, 16) können mit Zugseilen (27) und Umlenkseilen (26) mit Seilumlenkeinrichtungen ((12) – 12, Ansicht A und Absicht B) hintereinander verbunden werden.
Bei Buhnenverankerungen (16) kann ein einzelnes Segment (6) oder das ufernahe Segment (6) einer Segmentreihe ((66) – 16)) mit einem Abstandshalter ((24a) – 16) auf Distanz zum Buhnenkopf gehalten werden (Kollisionsvermeidung).
Schwimmkörper (1)
Die Schwimmkörper ((1) – 1) sind so geformt, dass die Fläche der Außenseite (1b) völlig plan ist. Deshalb können 2 Schwimmkörper (1) mit ihrer Außenseite (1b) passgerecht zu einer funktionalen Einheit verbunden werden. Das anströmende Wasser wird auf diese Weise in die Strömungskanäle (8) gelenkt, in denen sich die Wasserräder (2) befinden.
Die Innenseiten (1c) der Schwimmkörper ((1) – 1) sind nur leicht gekrümmt, um Verwirbelungen zu vermeiden. Auch wird die Kraft, die in Strömungsrichtung auf die Schwimmkörper (1) wirkt, deutlich reduziert.
Der Tiefgang an der Außenseite (1b) eines Schwimmkörpers ((1) – 1) ist geringer als an der Innenseite (1c). Damit wird erreicht, dass diese Anlage dichter zum Ufer hin aufgestellt werden kann.
Die Breite zwischen dem Ufer bzw. einer Buhne und der freizuhaltenden Fahrrinne kann deshalb besser ausgenutzt werden.
Die Innenseiten (1c) der beiden Schwimmkörper (1) eines Segments (6) sind in 1 (u. a.) symmetrisch zur Achse (2a) des Wasserrades (2) gezeichnet. Diese Darstellung ist nur eine von mehreren Möglichkeiten. Sie ist als Beispiel zu verstehen, wie im Zusammenspiel mit den Leitflächen ((3) – 1), die normalerweise bis zum Flussbett reichen, ein Strömungskanal (8) mit einer Konzentratorzone ((8a) – 1), einer schmalen und stark beschleunigten Zone vor dem Wasserrad (2) sowie einer Diffuserzone hinter dem Wasserrad ((8b) – 1) entstehen kann.
Die Diffuserzone ((8b) – 1) kann durchaus breiter sein als die Konzentratorzone (8a), und die Achse (2a) des Wasserrades (2) muss nicht mittig in Längsrichtung eines Segmentes (6) angeordnet sein.
Diese Erfindung zielt darauf ab,

• bei allen Wasserständen eine möglichst große Erntefläche zu nutzen,
• die Fließgeschwindigkeit am Wasserrad deutlich zu erhöhen und
• einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Ein Segment (6) mit seinen Schwimmkörpern ((1) – 1)) und den Leitflächen (3) bildet einen Strömungskanal (8) über die gesamte verfügbare Wasserhöhe, wobei die Unterseite dieses Kanals durch das darunter liegende Flussbett gebildet wird. Es wird somit keine Grundplatte benötigt.
Die Wassermassen werden in voller Breite eines Segments ((6) – 1) und vom Flussbett bis zur Wasseroberfläche durch den Strömungskanal gelenkt.
Die Wasserräder ((2) – 1) erfassen die gesamten Wassermassen, die durch die Strömungskanäle (8) geleitet werden.
Durch die Kopplung mehrerer Segmente ((66) – 1) nebeneinander wird erreicht, dass der gesamte Wasserquerschnitt zwischen Fahrrinne bis dicht zum Ufer hin als Erntefläche genutzt werden kann.
Die Formgebung der Schwimmkörper ((1) – 1) und der Leitflächen (3) sowie die Positionierung des Wasserrades (2) an der schmalsten Stelle innerhalb des Strömungskanals (8) erhöht den Wirkungsgrad der Wasserkraftanlage.
Komponenten
In einem Schwimmkörper ((1) – 1) sind folgende Baugruppen integriert:

• eine Hebeeinrichtung (5) seitlich des Wasserrades, die für die Wartung erforderlich ist,
• zwei Hebeeinrichtungen (55) in der Nähe der Anströmseite (Bug) und der Ablaufseite (Heck), die ebenfalls für die Wartung und andere Zwecke notwendig sind.
• eine wasserstandsgeregelte Vorrichtung (4) zur Höhenregulierung des Wasserrades (2) und der Leitflächen (3). Diese Höhenregulierung wird im folgenden als Distanzsteuerung (4) bezeichnet.,
• zwei weitere wasserstandsgeregelte Vorrichtungen (44) in der Nähe des Bugs und Hecks, die ebenfalls zur Höhenregulierung des Wasserrades (2) und der Leitflächen (3) dienen (Distanzsteuerung) und
• ein Generator mit Getriebe (11). oder Generator und Getriebe (11)

Das Wasserrad (2) wird von zwei Schwimmkörpern ((1) – 1) getragen, wobei der Wasserstand eine automatische Höhenregulierung des Wasserrades (2) relativ zu den Schwimmkörpern bewirkt.
Hebevorrichtungen-Überblick (5)
Mit den Hebevorrichtungen ((5) – 7 Ansicht E) und ((55) – 8, Ansicht E) sowie ((5), (55) in 1) können alle Komponenten wie beispielsweise das Wasserrad (2) in Bezug auf die Schwimmkörper (1) nach oben gestellt werden, so dass diese Bauteile höher liegen, als die Unterseite der Schwimmkörper (1). In extremen Situationen wie bei starker Vereisung können einzelne oder alle Segmente (6) einer Wasserkraftanlage an Land gezogen oder in einen strömungsfreien Hafen bugsiert werden.
Die Höhenverstellung kann mittels Motor oder per Hand erfolgen. Die technische Realisierung Höhenverstellung ist für diese Erfindung unerheblich.
Eine detaillierte Beschreibung der Hebevorrichtungen (5) und (55) ist ab [0097] und in 7 und 8 zu finden.
Distanzsteuerung (4)
2 illustriert die Distanzsteuerung (4) ohne Zusammenwirken mit der vorgenannten Hebevorrichtung (5). Zum einfacheren Verständnis wird bei der folgenden Beschreibung der Distanzsteuerung und in 2 auf die Darstellung der Hebevorrichtung (5) verzichtet.
Auch bei den nachfolgenden Zeichnungen bis 5 wurde die Hebevorrichtung (5) nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit und Verständlichkeit dieser Figuren zu erhöhen.
Erst bei 7 und 8 wird wieder näher darauf eingegangen, wie sich die Hebevorrichtungen ((5), (55)) in das Gesamtkonzept integrieren.
2 illustriert in vier verschiedenen Ansichten (A, B, C und D) die Funktionsweise der wasserstandgesteuerten Distanzsteuerung (4). Sie hält das Wasserrad (2) auf Distanz zum Untergrund bzw. Flussbett und verhindert auch bei Niedrigwasser, dass die Schaufeln (2c) des Wasserrades (2) das Flussbett berühren.

Hinweis: Die 2 zeigt in der Seitenansicht nur eine Distanzsteuerung (4) an einem Schwimmkörper (1). Die zweite Distanzsteuerung (4) am anderen Schwimmkörper (1) bleibt in dieser Ansicht verdeckt. Das Wasserrad (2) zwischen beiden Distanzsteuerungen (4) ist durch zwei Schaufeln (2c) angedeutet.

Die Distanzsteuerung ((4) – 2) umfasst folgende Komponenten:

• Distanzhalterungsblock (4a) mit einer Führungszone (4c),
• Hauptlager mit – Achslager (2b) des Wasserrades (2) und – Lagerhalterungsblock (2d),
• Nebenlager (in 2 verdeckt) mit – Achslager (2b – 9) und – Lagerhalterungsblock (2dd – 9),
• längenverstellbarer Teleskop-Distanzhalter (4b),
• Begrenzer (4d),
• Bodenprofilleiste (10) sowie
• Generator und Getriebe ((11) in 1) (nur in einem Distanzhalterungsblock (4a) eines Segments (6)) schematisch dargestellt.

Hinweis: Im weiterem wird der längenverstellbare Teleskop-Distanzhalter (4b) im Folgenden verkürzt als „Distanzhalter" (4b) bezeichnet.

Die Distanzsteuerung ((4) – 2) verhindert bei sinkendem Wasserstand, dass die Schaufeln (2c) des Wasserrades (2) mit dem Flussbett Berührung bekommen und beschädigt werden. Die Achse (2a) des Wasserrades (2) wird deshalb auf Distanz zum Flussbett gehalten.
Ein Distanzhalter ((4b) – 2) in Verbindung mit einer Bodenprofilleiste (10) sorgt auch bei Niedrigwasser dafür, dass ein Mindestabstand der Achse (2a) des Wasserrades (2) zum Flussbett eingehalten wird und eine Berührung der Schaufeln (2c) nicht möglich ist. Der Radius des Wasserrades (2) ist geringfügig kleiner als der Abstand der Achse zur Bodenprofilleiste (10). Dazwischen verbleibt nur ein sehr kleiner und technisch bedingter Spalt.
Oberhalb des Distanzhalters (4b) befinden sich der Achslagerblock (2d) und das Lager (2b) mit der Achse (2a) des Wasserrades (2).
Der Distanzhalterungsblock (4a) mit der Führungszone (4c) stellt sicher, dass sich das Hauptlager ((2b), (2d)) mit der Achse (2a) immer oberhalb des Distanzhalters (4b) befindet. Auf diese Weise ist bei allen Wasserständen sichergestellt, dass die Schaufeln (2c) keinen Kontakt mit dem Flussbett bekommen.
• Niedrigwasser (4)
Die Ansicht A in 2 zeigt einen Schwimmkörper (1) ohne Auftrieb bei Niedrigwasser. Da die Achse (2a) des Wasserrades (2) auf beiden Seiten so gehalten wird wie in Ansicht A (2), kann auch das vergleichsweise wenige Laufwasser zur Stromerzeugung genutzt werden.

Hinweis: Wie in 1 skizziert, wird ein Kippeln der Schwimmkörper (1) bei Niedrigwasser in Längsrichtung mit den Distanzhalterungen (44) in Bug- und Hecknähe der Schwimmkörper (1) verhindert.

• Normalwasserstand (4)
Die Ansicht B (2) illustriert die Situation bei normalem Wasserstand. Der Auftrieb ist noch nicht ausreichend, um die Schwimmkörper (1) anzuheben. Die Bodenprofilleiste (10) befindet sich noch auf dem Grund, und kein Wasser kann unterhalb der Bodenprofilleiste (10) ungenutzt vorbeiströmen.
Auch bei normalem Wasserstand kann eine maximale Erntefläche (Eintauchtiefe einer senkrecht positionierten Schaufel mal Breite eines Segments (6)) als Leistungspotenzial (Input) genutzt werden.
Das Hauptlager der Wasserradachse (2a), bestehend aus dem Lagerhalterungsblock (2d) und dem Lager (2b), befindet sich bei normalem Wasserstand noch am oberen Anschlag der Führungszone ((4c) – 2, Ansicht B).
• Erhöhter Wasserstand (4)
Die Ansicht C (2) skizziert die Situation bei einem erhöhten Wasserstand. Mit steigendem Wasserspiegel werden die Schwimmkörper (1) angehoben.
Das Eigengewicht des Wasserrades (2) bewirkt in Verbindung mit der Führungszone (4c) im Distanzhalterungsblock (4a), dass sich das Wasserrad (2) gegenüber dem Schwimmkörper (1) nach unten bewegt.
Durch diese Absenkung des Wasserrades (2) kann über einen längeren Zeitraum eine größere Erntefläche zur Stromerzeugung genutzt werden.
• Hochwasser (4)
Die Ansicht D (2) zeigt, wie sich das gesamte Segment (6) bei extremem Hochwasser sukzessive anhebt.
Ein Begrenzer (4d) sorgt dafür, dass der Distanzhalter (4b) nicht durch das Gewicht des Wasserrades (2) und sein Eigengewicht aus dem Distanzhalterungsblock (4a) nach unten heraus gedrückt wird.
Die Bodenprofilleiste ((10) – 2), die am unteren Ende der beiden Distanzhalter (4b) befestigt ist, hebt sich mit den beiden Distanzhaltern (4b) vom Flussbett ab. Auf diese Weise entsteht ein Abstand zwischen Bodenprofilleiste (10) und Flussbett, der nicht mehr zur Energieumwandlung zur Verfügung steht.
Da große Flüsse im Mittel- und Unterlauf witterungs- und saisonbedingt Hochwasser führen (mehrere Meter über normal) und andererseits die Durchmesser solcher Wasserräder (2) nicht beliebig groß sein können, ist ein Abheben der Bodenprofilleiste (10) vom Flussbett bei Hochwasser aus technischen Gründen unvermeidbar.
Die Ansichten A, B, C, und D in 2 verdeutlichen, dass die Distanzsteuerung (4) dennoch eine optimale Ausnutzung vorhandener Wassertiefen bei unterschiedlichen Wasserständen bewirkt.
Konstruktive Merkmale
Durch die konstruktiven Merkmale dieser Erfindung wird sicherstellt, dass möglichst der gesamte Wasserquerschnitt zwischen Ufer und Fahrrinne sowie dem Flussbett als Erntefläche zur Energieumwandlung genutzt wird.
Dies wird durch folgende Komponenten erreicht:

• o. g. Distanzsteuerung ((4) – 2) zur optimalen Ausnutzung der Wassertiefe,
• Nutzung der Flussbreite durch Kopplung mehrerer Segmente ((6) 1) zu Segmentreihen (66) – in Verbindung mit der Formgebung der Schwimmkörper (1) und
• höhenverstellbare Leitflächen (3) – 3), die mit der Distanzsteuerung (4) gekoppelt sind.

Leitflächen (3)
Wie 1 illustriert, werden die Wassermassen, die auf die Leitflächen (3) auftreffen, auf die Wasserräder (2) umgelenkt.
Die Formgebung der Schwimmkörper (1) bewirkt nach Gesetzen der Strömungslehre die Ausbildung eines Strömungskanals (8) mit Konzentrator (8a), Diffuser (8b) und einer relativ schmalen strömungsbeschleunigten Zone, in der das Wasserrad (2) positioniert ist.
Die Formgebung der Schwimmkörper (1) ermöglicht auch eine lückenlose Kopplung mehrerer Segmente (6), um möglichst die gesamte Breite zwischen Fahrrinne und Ufer zu erfassen.
Schließlich muss noch eine Lücke unterhalb der Schwimmkörper (1) geschlossen werden, um den gesamten Querschnitt zwischen Fahrrinne und Ufer als Erntefläche nutzen zu können.
Die Schwimmkörper (1) haben insbesondere bei höheren Wasserständen keine Grundberührung. Zwischen der Unterseite eines Schwimmkörpers und dem Flussbett gibt es einen Bereich, wo dass Wasser nicht auf die Wasserräder (2) gelenkt werden würde, wenn es keine Leitflächen (3) gäbe oder diese nicht bis zum Flussbett reichen würden.
Deshalb sind die Schwimmkörper (1) mit Leitflächen (3) versehen, die bis zum Flussbett reichen und in ihrer Form den Schwimmkörpern (1) angepasst sind.
Die Leitflächen ((3) – 3) sind an den Distanzhaltern (4b) neben dem Wasserrad (2) und den Distanzhaltern (4b) in Bug- und Hecknähe befestigt. Deshalb reagieren die Leitflächen (3) automatisch auf die Wasserstände. Sie sind so befestigt, dass die Unterkante der Leitflächen ((3) – 3) bis zum Flussbett reicht (außer bei Hochwasser).
Das Bodenprofil zwischen Bug (Anströmseite) und Heck (Abströmseite) eines Schwimmkörpers (1) weist u. U. unterschiedliche Tiefen auf. Um dennoch einen guten Bodenkontakt der Leitflächen ((3) – 3) über die Gesamtdistanz zwischen Bug und Heck zu erzielen, besteht die Leitfläche (3) aus einem oberen festen Teil (3a) und einem variablen Unterteil, der aus Senkplatten ((3b) – 3) gebildet wird.
Die Senkplatten ((3b) – 3) sind mit einem Schlitz (3f) versehen und werden mit zwei Bolzen (3c) oder Nieten am oberen Teil (3a) so befestigt, dass sie durch das Eigengewicht bis zum Flussbett durchsacken.
Die Unterkante der Senkplatten (3b) ist verstärkt und kann so dimensioniert werden, dass sie nicht zu tief ins Flussbett eindringt. Auf diese Weise kann ein nahezu nahtloser Bodenkontakt der Leitflächen erreicht werden.
Eine Besonderheit dieser Erfindung ist, dass durch die konstruktiven Merkmale der Leitflächen (3) ein – die gesamte Anströmfläche erfassender – Strömungskanal entsteht, obwohl für die untere Begrenzung keine Grundplatte erforderlich ist. Das Flussbett fungiert als untere Begrenzung des Strömungskanals (8).
Der obere Teil der Leitfläche ((3a) – 3) ist durch mindestens zwei Profilleisten (3d) verstärkt. Diese sind mit der Leitfläche (3a) verschraubt oder vernietet.
Bodenprofilleiste (10)
Das Profil des Flussbetts vom Ufer in Richtung Flussmitte im Bereich zwischen den Distanzhaltern ((4b) – 4, Ansicht A) ist nicht so gerade wie die darüber liegende Bodenprofilleiste ((10) 4 Ansicht A)), die die Schaufeln (2c) des Wasserrades (2) vor Grundberührung schützt. Es kann also eine Lücke zwischen Bodenprofilleiste ((10) – 4, Ansicht A) und Flussbett entstehen, durch die ein Teil des Wassers ungenutzt vorbeiströmen würde, wenn nicht eine entsprechende konstruktive Vorkehrung getroffen wird.
Andererseits kann eine Erhöhung eine Absenkung des Bodenprofils zwischen den Distanzhaltern ((4b) – 4) zu einer ungewollten Durchbiegung der Bodenprofilleiste (10) und/oder einer instabilen Positionierung des betreffenden Segments (6) führen.
Um die o. g. Nachteile konvexer/konkaver Bodenprofile zu umgehen, muss die Bodenprofilleiste ((10) – 4) konstruktive Merkmale und Bauteile aufweisen wie in 4 skizziert.
Wie 4 ferner illustriert, besteht eine Bodenprofilleiste (10) aus einem Hauptkörper ((10a) – Ansicht D), der an beiden Enden mit einem Distanzhalter ((4b) – verbunden ist (10h).
Diese Verbindung ((10h) – 4) stellt u. a. sicher, dass die beiden Distanzhalter (4b) mit den zugehörigen Leitflächen (3) immer den gleichen Abstand voneinander haben. Das dazwischen befindliche Wasserrad (2) kann deshalb nicht eingeklemmt werden.

Hinweis: Über dem Wasserspiegel sorgen die Brücken ((9) – 1) für die Einhaltung gleicher Abstände.

Der Hauptkörper ((10a) – 4, Ansicht A) der Bodenprofilleiste (10) in Längsrichtung ist an der Oberseite gerade und an der Unterseite konkav ausgebildet.
Da die Oberseite der Bodenprofilleiste (10a) und die Unterseite der Schaufeln (2c) des Wasserrades in Längsrichtung gerade sind, kann der technisch notwendige Abstand zwischen Schaufel (2c) und Bodenprofilleiste (10) minimiert werden.
Die konkave Unterseite der Bodenprofilleiste ((10a) – 4) stellt sicher, das die beiden Enden (10a) Grundberührung haben und keine instabile Lage bei konvexem Untergrund entsteht.
Da die Bodenprofilleiste (10) auf Grund der o. g. Konstruktionsmerkmale eine merkliche Querschnittseinschränkung in Fließrichtung des Wassers bildet, entsteht ein erheblicher Widerstand, den es zu minimieren gilt.
Ferner entsteht ein Spalt zwischen der Unterseite der Bodenprofilleiste (10a) und dem Flussbett (besonders bei konkavem Bodenprofil).
Um die beiden o. g. genannten Nachteile zu vermeiden, sind am Hauptkörper ((10a) – 4) der Bodenprofilleiste bewegliche Strömungssegmente (10b) angebracht, die sich dem Bodenprofil auf Grund ihres Eigengewichtes anpassen können (4 – Ansicht B).
Die Strömungssegmente (10b) minimieren einerseits Strömungsverluste und verhindern andererseits, dass Wasser unterhalb des Hauptteils (10a) nutzlos vorbeiströmt.
Die Strömungssegmente (10b) sollten eine gewisse Mindeststärke aufweisen, damit bei sehr unebenem Bodenprofil keine Lücken zwischen den einzelnen Strömungssegmenten (10b) entstehen.
Es muss zudem verhindert werden, dass die Strömungssegmente (10b) infolge starker Turbulenzen oder Treibgutes zwischen die Schaufeln (2c) des Wasserrades (2) gelangen.
Deshalb besitzen sie eine physische Sperre ((10d) – 4 Ansicht B, C und D), die absichert, dass ein Strömungssegment (10b) maximal eine waagerechte Position einnehmen kann. Sie besitzen – wie 4 zeigt – eine Nase (10f), die in Verbindung mit dem Begrenzer (10d) ein Hochklappen ausschließt.
Wenn sich bei Hochwasser die Bodenprofilleiste (10) vom Flussbett entfernt, sollen die Strömungssegmente (10b) nicht völlig nach unten klappen sondern einen optimalen Anstellwinkel zum anströmenden Wasser beibehalten. Dies wird durch den oberen Begrenzer (10e) im Zusammenwirken mit der „Nase" (10f) erreicht.
Die Segmente (6), die entfernt vom Ufer und in der Nähe der Fahrrinne aufgestellt sind, können mit größeren Bodenprofilleisten (10) versehen werden, die höher sind und längere Strömungssegmente (10b) besitzen. Den Vorteil dieser Vorgehensweise illustriert 5.
In Ansicht A der 5 ist eine deutlich größere Bodenprofilleiste (10) eingezeichnet als in Ansicht B. Deshalb kann in Ansicht B ein Wasserrad (2) verwendet werden, dass einen deutlich kleineren Durchmesser besitzt. Jede der vielen Schaufeln (2c) kann deutlich kleiner sein, und auch die sechs Abstandshalter (4b) eines Segmentes (6) sind deutlich kürzer.
Durch den Einsatz größerer Bodenprofilleisten (10) kann am Wasserrad (2) und bei den Distanzhaltern (4b) erheblich an kostenintensiven Materialien eingespart werden. Allerdings benötigt man auch mehr Material für die größeren Bodenprofilleisten (10). Für den Hauptkörper der Bodenprofilleiste (10a) ist das relativ unerheblich. Aber die Strömungssegmente (10b) müssen wegen des erforderlichen Anstellwinkels zur Waagerechten deutlich verlängert sein.
Große Bodenprofilleisten (10) an sehr flachen Stellen sind nicht zu empfehlen, da sie u. U. bei Niedrigwasser eine komplette Sperre bilden und die geringen anströmenden Wassermengen nicht mehr genutzt werden können.
Da die Tiefe des Wassers von Ufer zur Fahrrinne hin i. d. R. deutlich zunimmt und andererseits die Segmente (6) einer Anlage möglichst durchgängig waagerecht positioniert sein sollen, kann ein verstellbarer Höhenausgleichständer ((10g) – 4) an einer Seite der Bodenprofilleiste (10) montiert werden, damit diese ebenfalls waagerecht positioniert ist.
Die größere Höhendifferenz erfordert aber, dass die Strömungssegmente ((10b) – 4) im jeweils tiefen Bereich länger sein müssen, um eine optimale Anströmung zu erreichen.
Der Hauptkörper (10a) der Bodenprofilleiste ((10) – 4 – Ansicht B) kann aus mehreren Teilen (10a1, 10a2, 10a3, 10a4.) bestehen (alternative Variante). Diese Teile sind so miteinander verbunden, dass die obere Seite dieser Teile eine konkave Ausformung besitzt. Das hat zur Folge, dass eine Schaufel (2c), die den Bereich dieser Teile (10a1, 10a2, 10a3 und 10a4. – Ansicht B der 4) passiert, einen sehr kleinen und nahezu gleichbleibenden Abstand hat.
Ferner ist die Gesamtbreite der Teile (10a1), (10a2), (10a3) und (10a4) so gewählt, dass sich zu jedem Zeitpunkt der Rotation eine Schaufel in diesem Bereich befindet.
Aus diesen Konstruktionsmerkmalen ergibt sich, das keine Wassermassen zwischen zwei Schaufeln und der Bodenprofilleiste (10) ungehindert hindurch strömen können. Je nach Ausbremsung bzw. Widerstand des Wasserrades (2) entsteht auf diese Weise ein erheblicher Stau im Bereich des Konzentrators ((8a) – 1).
Die konkave Ausformung (Ansicht B der 4) bildet sich nur dann aus, wenn die Bodenprofilleiste (10) Grundberührung hat.
Besteht ein Abstand zwischen der Bodenprofilleiste (10) und dem Flussbett, entsteht die Form nach Ansicht C der 4, die folgendermaßen funktioniert.
Die sich überlappenden Teile (10a1), (10a2), (10a3) und (10a4) sind so miteinander verbunden, das sie im unteren Bereich verschiebbar sind.
Der Distanzhalter (4b) und die mittleren Teile (10a2) und (10a3) sind an einem Bolzen (10h) beweglich verbunden. Wird nun bei steigendem Wasserstand der Distanzhalter (4b) nach oben gezogen, klappen die Teile (10a2) und (10a3) nach innen zusammen. Die Schlitze (101) begrenzen in Verbindung mit dem Gelenk 10j) das Zusammenklappen.
Die beweglichen Verbindungen (10i) bewirken ein Zusammenklappen der äußeren Teile (10x1) und (10a4). Die Schlitze (10k) begrenzen den Vorgang des Zusammenklappens.
Je nach Ausprägung der Schlitze ((10k), (101) wird bestimmt, wie stark die konkave und konvexe Formgebung der Teile (10a1), (10a2), (10a3) und (10a4) maximal sind.
Die maximale konkave Formgebung nach Ansicht B (4) wird durch den Radius des Wasserrades bestimmt. Beim Aufsetzen der Bodenprofilleiste (10) auf den Grund drückt der Distanzhalter (4b) über die Verbindung (10h) die Teile (10a1), (10a2), (10a3) und (10a4) so nach oben, dass die jeweils erforderliche konkave Formgebung entsteht.
Beim Anheben vom Grund senken sich die Teile (10a1), (10a2), (10a3), (10a4) und können so eine gerade oder konvexe Form erhalten (4 – Ansicht C). Die Begrenzungen (bzw. Endstellungen zu beiden Seiten) der Schlitze (101) und (10k) bestimmen die maximale Formveränderung.
Die o. g. Erläuterungen und zur 4 (Ansicht B und C) stellen eine im Wirkungsgrad optimale, aber technisch aufwendige Lösung dar.
Alternativ dazu können die Teile (10a1), (10a2), (10a3) und (10a4) durch ein Teil (10a) ersetzt werden, das die Form nach Ansicht D der 4 besitzt. Solange Kontakt mit dem Flussbett besteht, ist die Variante ((10a) – 4, Ansicht D) strömungstechnisch gleichwertig.
Löst sich aber die Bodenprofilleiste (10) vom Grund, entsteht nicht eine durchgängig konvexe Formgebung sondern ein Wechsel zwischen konkaver und konvexer Linienführung.
Eine weitere alternative Möglichkeit zeigt die Ansicht A in der 6. Es wird auf einen Höhenausgleichsständer (10g) an der tieferen Seite verzichtet und ein Wasserrad (2) verwendet, das im Bereich der Achslager über unterschiedliche Raddurchmesser verfügt.
Hebevorrichtungen (5) und (55)
Für den Fall von Packeisbildung muss es möglich sein, die Segmente (6) an Land zu ziehen oder in strömungsfreie Häfen einfrieren zu lassen.
Dies entsprechenden Transportmaßnahmen verlangen, dass alle Bauteile, die sich unterhalb der Unterseite der Schwimmkörper (1) befinden, mittels Hebevorrichtungen ((5), (55)), 7 und 8) soweit angehoben werden können, dass diese höher gelagert sind als die tiefste Stelle der Schwimmkörper (1).
In einem ersten Arbeitsgang sind die Distanzhalter ((4b) – 7, Ansicht E und 8, Ansicht E) mittels Höhensteuerung (5c) (Motorkraft oder per Hand) bis zum oberen Anschlag der Führungszone (4c) anzuheben.
Das Symbol (5c) in der Ansicht E der 7 veranschaulicht in sehr vereinfachter Weise, welche Bauteile nach oben befördert werden müssen. Diese Darstellung lässt verschiedene technische Realisierungen zu, z. B. eine manuelle Anhebung durch Betätigung einer Kurbel und eine motorgetriebene Anhebung. Der Handbetrieb ist für Insellösungen ohne Anschluss an ein öffentliches Stromnetz notwendig.
Danach sind die Hebeblöcke (5a) beider Schwimmkörper (1) eines Segments (6) gleichmäßig anzuheben. Dabei sollte das betreffende Segment (6) möglichst in waagerechter und stabiler Position verbleiben.
Bei der Anhebung erfolgt eine relative Höhenverschiebung der Hebeblöcke (5a) zum Schwimmkörper (1). Das Element (5b) symbolisiert verschiedene technische Lösungen, die die Höhenverstellung des Hebeblocks (5a) ermöglichen.
Auch bei der Anhebung der Hebeblöcke (5a) sind zwei Varianten „manuell" und „mit Motorkraft" möglich. Damit ist jedoch nicht die Art und Weise der Höhenverstellung festgelegt (z. B. Druckkraft von unten, Zugkraft von oben, Zahnrad seitlich, u. a. m.).
Distanzsteuerungen (44) an Bug und Heck
Die Distanzsteuerungen (44) an Bug und Heck eines Schwimmkörpers (1) unterscheiden sich nur wenig von der Distanzsteuerung (4), in der die Achse (2a), das Achslager (2b), der Achslagerhalterungsblock (2d) und die Synchronisationssteuerung ((7) – 9) integriert sind. 7 (Ansicht C) zeigt die Distanzsteuerung (4) und 8 (Ansicht C ) die Distanzsteuerung (44).
Nicht Bestandteil der Distanzsteuerungen (44) sind die Teile (2a), (2b), und (7). Der Achslagerhalterungsblock (2d) der Distanzsteuerung (4) unterscheidet sich vom Distanzhalterungsblock (2d2) der Distanzsteuerung (44). Es enthält kein Lager (2b) für die Achse (2a) und fungiert nur als oberer Begrenzer des Distanzhalters (4b).
Die Teleskop-Distanzhalter (4b) werden bei der Installation und Wartung so eingestellt, dass sie bei Niedrigwasser am oberen Ende der Führungszone (4c) anschlagen und kein Kippeln der Schwimmkörper (1) in Längs- und in Querrichtung auftritt.
Bei erhöhtem Wasserstand sacken die Distanzhalter (4b) auf Grund ihres Eigengewichts entsprechend durch und bewirken, dass die Bodenprofilleiste (10) möglichst am Boden verbleibt und die Strömung maximal genutzt wird.
Hebevorrichtungen (55) an Bug und Heck
Die Hebevorrichtungen (55) an Bug und Heck besitzen die gleichen Konstruktionsmerkmale wie die Hebevorrichtungen (5). Sie können aber kleiner dimensioniert sein als die Hebevorrichtung (5), die zusätzlich das Gewicht des Wasserrades tragen muss.
Anstelle der Distanzsteuerung (4) in Hebevorrichtung (5) enthält eine Hebevorrichtung (55) die Distanzsteuerung (44).
Parallelverschiebung
Bei Schräglage eines Segments (6), die u. a. bei Niedrigwasser in Verbindung mit Veränderungen des Bodenprofils entstehen kann, treten erhebliche Kräfte auf, die eine vertikale Parallelverschiebung der Schwimmkörper (1) bewirken könnten.
Um ein Einklemmen des Wasserrades (2) zu verhindern, werden alle Möglichkeiten genutzt, um solche Parallelverschiebungen zu verhindern, durch

• Doppellagerung des Wasserrades (2) an beiden Seiten in Verbindung mit der Synchronisationssteuerung ((7) – 9)) und
• Diagonalverstrebung der Brücken ((9d) – 10) sowie massive Befestigung (9e) der Brücken (9) an den Schwimmkörpern (1).

Brücken (9)
Die Brücken ((9) – 10), haben eine Schutzfunktion und sollen u. a. verhindern, das z. B. Sportboote mit den Wasserrädern (2) kollidieren. Sie dienen auch der Begehung zu Wartungszwecken. Zudem bilden sie die konstruktive Grundlage zu einer zusätzlichen Installation von PV- und Kleinwindkraftanalgen Aus diesen Gründen müssen sich die Brücken (9) über dem Wasserspiegel befinden und dürfen sich nicht mit den höhenverstellbaren Leitflächen (3) oder anderen höhenverstellbaren Teilen auf- und abwärts bewegen.
Eine Befestigung der Brücken ((9) – 10) muss also an den Schwimmkörpern (1) erfolgen.
Um Kollisionen mit den höhenverstellbaren Hebeeinrichtungen (55) und den Distanzsteuerungen (44) zu vermeiden, müssen die Brücken (9) einen Mindestabstand zum Deck ((1a) – 10) der Schwimmkörper (1) einhalten.
Um unter den o. g. Umständen sowohl horizontale als auch vertikale Diagonalverschiebungen zwischen den Schwimmkörpern (1) zu verhindern, müssen an den Brücken (9) möglichst mehrere Diagonalverstrebungen ((9d) – 10) in verschiedenen Richtungen angebracht sein.
Ferner müssen die Befestigungsstreben (9e) – 10) zwischen Brückenboden (9a) und Schwimmkörper (1) fest an den Befestigungspunkten (9h) verankert und unterhalb des Decks (1a) – 10) befestigt werden. Einer der Befestigungspunkte (9h), der dem Bug bzw. Heck am nächsten liegt, fungiert zugleich als Halterung (25) für die Kopplung von Segmentreihen (66) und zur Verankerung einer Wasserkraftanlage.
Doppellagerung
Um eine vertikale Parallelverschiebung der Schwimmkörper (1) zu verhindern, ist die Doppellagerung der Wasserradachse (2a) auf Grund der wasserstandsgesteuerten Höhenverstellung (bzw. Distanzsteuerung (4)) nicht ausreichend (9). Das Nebenlager ((2dd); (2b) – 9) muss die Höhenverstellung des Hauptlagers ((2d), 2b)) zwangsweise und synchron nachvollziehen ((7) – 9 – Synchronisationssteuerung der Doppellagerung).
Für die o. g. Synchronisationssteuerung (7) der Doppellagerung sind folgende Voraussetzungen gewährleistet.
Der Distanzhalterungsblock (4a) ist mit dem Hebeblock (5a) fest verbunden (7 – Ansicht E). Der Hebeblock ist zwar höhenverstellbar, aber im Betriebszustand fest am Schwimmkörper (1) fixiert.
Beide Blöcke (4a) und (5a) sind rechtwinklig im Schwimmkörper (1) eingelassen.
In vertikaler Richtung bilden die Innenseite (1c) des Schwimmkörpers (1) (Wasserradseite) und auch die Leitfläche (3) einen rechten Winkel zu den o. g. Blöcken ((4a), (5a)), die waagerecht im Schwimmkörper eingepasst sind.
Unter diesen Voraussetzungen stellt die Synchronisationssteuerung ((7) – (9) zu jedem Zeitpunkt sicher, dass sich die beiden Lager ((2d), (2b) – Hauptlager) und ((2dd), (2b) – Nebenlager) in gleicher Höhe innerhalb des Distanzhalterungsblocks (4a) befinden.
9 illustriert, wie dies über Seilzüge und Umlenkrollen realisiert wird.
Am Lagerblock (2d – Hauptlager)) sind zwei Seilzüge (7i) und (7k) befestigt.
Bewegt sich nun bei steigendem Wasserstand das Hauptlager ((2d), (2b)) durch das Eigengewicht des Wasserrades (2) nach unten, wird diese Bewegung über den Seilzug (7i) und die Umlenkrollen ((7h1), (7h2), (7h3)) auf den Lagerblock (2dd) so übertragen, dass sich (2dd) in gleicher Weise synchron nach unten bewegt.
In ähnlicher Weise wird die synchrone Aufwärtsbewegung über die Seilzüge ((7j), (7k)) und die Umlenkrollen ((7h5), (7h4)) sowie die Ausgleichsrolle (7g) realisiert.
Da sich am Hauptlager unterhalb des Lagerblocks (2d) der Distanzhalter (4b) befindet, kann ein Seilzug nicht zentriert angebracht werden. Um Seitenkräfte und Verkantungen zu vermeiden, ist eine Doppelbefestigung des Seilzugs (7k) an der Lagerblockaufhängung (2e) notwendig, die über eine Doppelrolle (7f) umgelenkt und zur Ausgleichsrolle (7g) geführt wird.
Die Spannvorrichtungen (7m), die wie Wantenspanner funktionieren, dienen bei der Installation einer Anlage dazu, die Achse so zu justieren, dass sie parallel zum Distanzhalterungsblock (4a) verläuft und somit einen rechten Winkel zur Leitfläche (3) bildet.
Bei Wartungsarbeiten kann mit diesen Spannvorrichtungen (7m) eine Nachjustierung vorgenommen werden.
Segmentkopplung zu Segmentreihen (14), (15) (16), (17)
Wenn zwei Segmente (6) nebeneinander installiert werden, sind die Außenseiten (1b) zweier Schwimmkörper ((1) – 1) zu einer Einheit miteinander zu verbinden. Eine solche Verbindung darf aber nicht starr wie bei einer festen Verschraubung sein.
Das hat triftige Gründe. Bei Niedrigwasser (Trockendockposition) befinden sich die unteren Enden der Distanzhalter (4b) mit der Bodenprofilleiste (10) auf dem Grund.
Da sich das Profil des Flussbetts im Laufe der Zeit ändern kann, können zwei verschiedene Situationen eintreten:

• Die Distanzhalter (4b) der beiden mittleren Schwimmkörper ((1) – 1) haben keinen Bodenkontakt mehr, so dass die beiden äußeren Schwimmkörper (1) das Gewicht der inneren Schwimmkörper (1) und der beiden Wasserräder (2) mittragen müssen, oder
• ein Distanzhalter (4b) eines äußeren Schwimmkörpers (1) hat keinen Bodenkontakt.

In beiden o. g. Fällen treten enorme Kräfte auf, die auf die mittleren Schwimmkörper (1) einwirken.
Auch bei Hochwasser kann es durch starke Wellenbewegungen zu Niveauunterschieden an der Wasseroberfläche kommen, die zur Absenkung oder Anhebung einzelner Schwimmkörper (1) führen können.
Die 11 verdeutlicht, wie verhindert werden kann, dass die Schwimmkörper (1) solchen Kräften ausgesetzt sind.
Die Ansicht A (11) zeigt im Querschnitt den Normalzustand an, bei dem sich alle Schwimmkörper (1) auf gleichem Höhenniveau befinden.
Ein entsprechend starker Bolzen ((14a) – 11 – Ansicht C) mit Begrenzern (14c) – Ansicht B) an jedem Ende verläuft durch Bohrungen der betreffenden Schwimmkörper (1), die sich oberhalb des Wasserspiegels befinden und mit Dichtungsringen abgesichert sind. Auf jeder Seite des Bolzens (14a) befindet sich eine starke Druckfeder (14b) zwischen Begrenzer (14c) und Schwimmkörper (1). Diese Feder übt eine Druckkraft aus, die beide Flächen der betreffenden Schwimmkörper (1) aneinander presst.
Die Ansicht B in 11 illustriert eine Situation, bei der sich ein oder beide benachbarte Schwimmkörper (1) absenken und starke Zugkräfte auf die inneren Schwimmkörper (1) verursachen. Die Federn ((14b) werden zusammengepresst, und die beiden Schwimmkörper klappen oben auf. Die auftretenden Zugkräfte auf die Schwimmkörper (1) werden auf diese Weise erheblich verringert.
Es muss aber sichergestellt werden, dass sich die Bolzen (14a) nicht verkanten und möglichst in waagerechter Position verbleiben. Auch muss der Bolzen (14a) einen rechten Winkel zur Außenwand in horizontaler Richtung bilden und diese Position beibehalten.
Für den letztgenannten Fall sorgen die Führungsschienen (15e) dafür, dass ein Bolzen (14a – 11)) nicht in Längsrichtung der Schwimmkörper ausweichen kann. Ferner verhindern die Führungsschienen (15e), dass eine Längsverschiebung zwischen den Segmenten (6) erfolgt.
Da der Kippwinkel α (11 – Ansicht B) zwischen beiden Schwimmkörpern (1) variieren kann und andererseits der Bolzen (14a) nicht verbogen werden darf, wenn sich die beiden Schwimmkörper (1) aufspreizen, ist eine waagerechte Positionierung des Bolzens (14a) mittels Führungsschiene kaum realisierbar.
Zur waagerechten Positionierung des Bolzens (14a) dient eine Konstruktion, die aus einem Seilzug (15c), zwei Umlenkrollen (15b1 und 15b2) und einer Seilzugverbindung (15d) besteht, wobei sich (15d) am Begrenzer (14c) des Bolzens (14a) befindet.
Die beiden Umlenkrollen (15b1) und (15b2) haben unabhängig vom Kippwinkel α 11, Ansicht B) immer den gleichen Abstand und die gleiche relative Position zum Stabilisierungsblock (15a).
Wenn die beiden Schwimmkörper ((1) – 11, Ansicht B) auseinanderdriften, verkürzt sich der Abstand zwischen Umlenkrolle (15b1) und dem Verknüpfungspunkt (15d) am Begrenzer (14c). Dies bewirkt eine Verlängerung der Strecke zwischen Umlenkrolle (15b2) und dem Verknüpfungspunkt (15d). Diese Verlängerung bewirkt, dass der Bolzen (14a) in der waagerechten Position bleibt, während sich der Kippwinkel α vergrößert oder verkleinert.
Da am gegenüberliegenden Schwimmkörper (1) die gleiche Konstruktion spiegelsymmetrisch angebracht ist, verbleibt der Bolzen (14a) in waagerechter Position.
Die Anordnung der Umlenkrollen ((15b1) und ((15b2 – 11) sowie des Verknüpfungspunktes (15d) ist so gewählt, dass eine waagerechte Führung an beiden Enden des Bolzens (14a) sichergestellt ist. Durch Veränderung des Kippwinkels α verändert sich die Spannung des Seilzugs nicht, so dass keine Verbiegung des Bolzens erzwungen wird und auch keine Lockerung des Seils (15c) erfolgt.
Alternativ zur Stabilisierungseinheit ((15) – 11) kann eine weitere waagerechte Führungsschiene angebracht werden, die den Bolzen (14a) in waagerechter Position hält. Diese waagerechte Führungsschiene muss mit Gummiblöcken o. ä. gefedert sein, um eine Verbiegung des Bolzens (14a) zu verhindern.
Um die Schwimmkörper (1) zweier benachbarter Segmente (6) auch unten zusammen zu halten, könnte die Konstruktion (15) mit den Bolzen (14a) und den Federn (14b) unterhalb der Wasserlinie angebracht werden. Eine Abdichtung müsste dafür sorgen, dass kein Wasser in den Schwimmkörper (1) gelangt. Das ist technisch möglich, aber nicht so sicher wie die Spreizvorrichtung (17), die am oberen Teil zwischen zwei Geländern (9b) angebracht ist.
Die Geländer (9b) sind so geformt, dass sie nicht miteinander kollidieren, wenn die beiden mittleren Schwimmkörper (1) zweier Segmente (6) gegenüber den äußeren Schwimmkörpern (1) nach unten aufspreitzen (11, Ansicht C). Auch sorgt die Formgebung des Geländers (9b) dafür, dass noch genügend Platz bleibt für die Spreizvorrichtung (17).
Die Spreizvorrichtung ((17) – 11) ist mit einer Druckfeder (17a) versehen, die die benachbarten Geländer (9b) auseinander drückt und auf diese Weise die beiden benachbarten Schwimmkörper (1) am unteren Ende zusammendrückt.
Die Druckfeder (17a – 11) ist schwächer ausgelegt als die beiden Druckfedern (14b), so dass die benachbarten Schwimmkörper (1) an der Oberseite nicht auseinandergedrückt werden können.
Kopplung von Segmentreihen (66) und Verankerungen
Die natürlichen Rahmenbedingungen an den Installationsorten können extrem unterschiedlich sein. Dementsprechend müssen die konstruktiven Anforderungen an diese Erfindung unterschiedliche Varianten der Verankerung zulassen.
Die Konstruktionsmerkmale dieser Erfindung sind so konzipiert, dass folgende Arten der Verankerung und Positionierung der Segmente (6) einer Anlage genutzt werden können:

• Einbindung einer Anlage zwischen einer Gierseilfähre ((22a) – 13) und ihrer Verankerung (22),
• Verankerung am Ufer ((20) – 14) mit oder ohne Anker (19a) im Flussbett stromabwärts,
• Verankerung im Flussbett ((19) – 15) ohne oder mit Anker (19a), im Flussbett stromabwärts
• Verankerung auf einer Buhne ((23) – 16) mit Buhnenabstandshalter ((24a) – 16) zu den benachbarten Buhnen stromabwärts (ohne oder mit ab-schließender Verankerung ((23a) – 16) auf einer Buhne stromabwärts oder im Flussbett (19a).
• Uferverankerung (20) zu beiden Uferseiten für Flüsse ohne Schiffsverkehr mit oder ohne Verankerung stromabwärts im Flussbett (19a),
• Verankerung an einer Dalbe (21) – 14) ohne oder mit abschließender Verankerung im Flussbett (19a) und
• zusätzliche Verankerung ((28) – 14) quer zur Strömung zwischen einem Uferanker (28b) und einer Segmentreihe (66).

Die Anzahl der Segmente (6) einer Wasserkraftanlage und ihre Anordnung (nebeneinander und in Anständen hintereinander) ist einerseits von den natürlichen Gegebenheiten wie Breite des Flusses und von den Absichten eines potenziellen Betreibers abhängig.
Diese Erfindung berücksichtigt diese Umstände und erlaubt,

• ein einzelnes Segment,
• zwei oder mehrere Segmente nebeneinander (Segmentreihe (66) – 13,
14, 15, 16) sowie
• mehrere Einzelsegmente (6) oder mehrere Segmentreihen (66) hintereinander als eine Gesamtanlage zu installieren.

Dies gilt unabhängig davon, ob eine Verankerung des zentralen Zugseils am Ufer (20), auf einer Buhne (23), im Flussbett (19), an einer Dalbe (21) oder die Anbindung an einer Gierseilfähre (22a) erfolgt.
Aus den o. g. Varianten der Verankerung und der Kombination mit einer variablen Anzahl von Segmenten und Segmentreihen (66) ergibt sich eine Vielfalt von Installationsmöglichkeiten, für die sich bestimmte Konstruktionsmerkmale als auch notwendig erweisen.
Folgende konstruktive Details sind in diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung:

• An einem Segment ((6) – 13, 14, 15, 16) befinden sich insgesamt vier Halterungen (25) an den Brücken (9).
• Zwei dieser Halterungen ((25) – 10) befinden sich an der Brücke (9) flussabwärts und zwei an der Brücke (9) flussaufwärts.
• Zwischen den beiden Halterungen (25) einer Brücke ist ein Umlenkseil ((26) – 13, 14, 15, 16)) mit einer Seilumlenkeinrichtung ((12) – 12) befestigt.
• Ein Zugseil ((27) – 13, 14, 15, 16) verbindet die beiden Seilumlenkeinrichtungen (12) der betreffenden Segmente (6), die hintereinander positioniert werden.
• Eine Halterung ((25) – 10) für die Verankerung befindet sich an einem Befestigungspunkt (9h) der Brücke (9) am Deck (1a). Es handelt sich dabei um den speziellen Befestigungspunkt (9h), der sich in Bug- bzw. Hecknähe befindet (10).
• Alle Befestigungspunkte (9h) einer Brücke (9) an einem Schwimmkörper (d. h. auf einer Seite) sind miteinander verstrebt. Deshalb werden die auftretenden Zugkräfte an der Halterung (25), die sich an einem dieser Befestigungspunkte (9h) befindet, auf alle Befestigungspunkte (9h) verteilt.
• Die beiden Brücken (9) an der Bug- und Heckseite eines Segments (6) sind untereinander so verbunden ((9f) – 10), dass die Zugkräfte zwischen beiden Halterungen (25) durch die Verstärkung (9f – 10) aufgenommen werden und nicht die Schwimmkörper (1) belasten.

Seilumlenkeinrichtungen und Seilstopper (12), (13)
Die Seilumlenkeinrichtung ((12) – 12 Ansicht A und Ansicht B) kann in Kombination mit dem Seilstopper ((13) – 12 – Ansicht A) installiert werden, um eine Auslenkung in einer Richtung oder in beiden Richtungen zu begrenzen oder zu verhindern.
Sinn und Zweck beider o. g. Komponenten ((12), (13) – 12) ist es,

• einerseits die Kräfte auszugleichen, die quer und längs zu den Segmenten wirken und
• andererseits den o. g. Kräfteausgleich mit dem Seilstopper ((13) zu begrenzen.

Eine Begrenzung durch die Seilstopper (13) hat u. a. folgenden Grund:
Seitenwinde aus wechselnden Richtungen und Schiffsverkehr verursachen Kräfte quer zur Flussrichtung und bewirken eine seitliche Verschiebung von Segmentreihen ((66) – 13, 14, 15, 16) in Richtung Ufer oder in Richtung Fahrrinne, wenn bei Hochwasser keine Bodenberührung existiert. Um Kollisionen im Uferbereich oder in der Nähe der Fahrrinne zu vermeiden, können solche Seitenbewegungen durch die Seilstopper ((13) – 12) begrenzt werden.
Werden die Seilumlenkeinrichtungen (12) mit den Seilstoppern (13) in geeigneter Weise kombiniert (14), können gegebenenfalls auftretende Schäden bei Kollisionen auf einzelne Segmente (6) beschränkt werden.
Die Seilumlenkeinrichtung ((12) – 12 Ansicht A und Ansicht B) ist so gestaltet, dass die Umlenkung eines Umlenkseils (26) mit einem unterschiedlichen Winkel α (Ansicht A in 12) erfolgen kann.
Die Umlenkrolle (12b) und das Umlenkseil (26) sind von zwei Leitflächen (12a) umgeben, die durch eine Halterung (12c) an zwei Seitenkanten (12b) miteinander verbunden sind.
An der Öffnung (12d) ist ein Zugseil (27) befestigt.
Die Leitflächen (12a) sind so geformt, dass das Umlenkseil (26) am Austrittspunkt der Leitflächen (12a) einen rechten Winkel zur Tangente am Austrittspunkt bildet.
Unter dieser Voraussetzung kann der Seilstopper ((13) – 12 Ansicht A) ohne Verkantung an die Seilumlenkeinrichtung ((12) – 12 Ansicht A angedockt werden, auch dann, wenn sich der Winkel α ändert.
Der Seilstopper (13) begrenzt die Ausgleichswirkung der Seilumlenkeinrichtung (12). Im Extremfall kann diese komplett blockiert werden, indem zwei Seilstopper (13) auf beiden Seiten unmittelbar an den Leitflächen (12a) angebracht werden.
Der Seilstopper ((13) – 12 – Ansicht C und Ansicht D) besteht aus zwei Hälften (13a), die in der Mitte eine Führung besitzen, in der das Umlenkseilseil (26) eingeklemmt wird. Vier oder mehr Spannbolzen (13b) bewirken, dass ein Umlenkseil (26) stark genug festgeklemmt wird.
Bei der Installation einer Wasserkraftanlage können die Seilstopper (13) in Abhängigkeit von der natürlichen Umgebung am Installationsort positioniert und bei der Wartung nachjustiert werden.
Die Segmente (6) und Segmentreihen (66) einer Wasserkraftanlage sind auch dann funktionstüchtig, wenn auf die Verwendung die hier beschriebenen Seilumlenkeinrichtungen ((12) – 12) und Seilstopper (13) verzichtet wird. Auch kann die Verankerung und Verknüpfung der Segmente (6) und Segmentreihen (66) anders erfolgen als in 13, 14, 15 und 16 gezeigt.
Dennoch bieten die Seilumlenkeinrichtungen (12) in Verbindung mit den Seilstoppern (13) wesentliche Vorteile bei der Installation, der Wartung und während des Betriebs. Deshalb sind diese Verankerungs- und Verbindungshilfen (12) und (13) Bestandteil dieser Erfindung.
Die Seilumlenkeinrichtungen ((12) – 12 – Ansicht A und Ansicht B) besitzen eine Kabelführung (12e) für ein Stromkabel (30S) und ein Datenkabel (30D).
Wie 13, 14, 15 und 16 verdeutlichen, bewirken die Kabelführungen (12e) an den Seilumlenkeinrichtungen (12), dass die Daten- und Stromkabel ((30D), (30S)) zwischen den verschiedenen Segmentreihen ((66) – 13, 14, 15, 16) nur geringfügig durchhängen.
Kabelführungsblöcke (18)
Zusätzlich können je nach Bedarf Kabelführungsblöcke ((18) – 17 und 18) an den Zugseilen (27) und begrenzt auch an den Umlenkseilen (26) angebracht werden, um ein Durchhängen von Kabeln deutlich zu verringern. Das ist besonders vorteilhaft bei langen Seilen.
Ein Kabelführungsblock (18) besteht aus einem zweiteiligen Seilklemmblock (18a) mit Spannbolzen (18c) zur Befestigung an einer beliebigen Stelle eines Seils und einem Kabelführungsring (18b) für die Daten- und Stromkabel ((30D), (30S)).
Redundanz und Sicherheit
Kollisionen mit Sportbooten und Schiffen sowie Vandalismus und andere Ursachen wie Materialermüdungen und Treibgut können dazu führen, dass Umlenk- und Zugseile ((26), (27)) reißen oder sich von den Halterungen (25) lösen.
Um den Schaden in diesen Fällen zu minimieren, sind folgende Vorkehrungen zu treffen:

• Ausgewählte Umlenkseile (26) und Zugseile (27) werden an einem oder beiden Enden mit einem elastischen und zugfesten Bauteil versehen, das ähnlich funktioniert wie eine Anlegefeder, die bei Sportbooten verwendet wird.
• Ausgewählte Seilverbindungen ((26), (27)) werden durch redundante Seile mit elastischen Bauteilen so angebracht, dass sie erst dann die vollen Zugkräfte aufnehmen, wenn das korrespondierende Seil reißt oder sich von einer Halterung (25) löst.

Unabhängig von der Verankerungsvariante (Ufer, Buhne, Dalbe usw.) sind redundante Seile zwischen folgenden Punkten vorzusehen:

• zwischen der Verankerung ((19), (20), (21) (22) oder (23)) und den beiden Schwimmkörpern (1) an den Enden einer Segmentreihe (66), die sich am nächsten zum Verankerungspunkt befindet und
• zwischen zwei äußeren Schwimmkörpern (1) benachbarter Segmentreihen (66),

Die Verbindung ((9f – 10) zwischen den beiden Brücken (9) eines Schwimmkörpers (1) ist zusätzlich mit einer redundanten Verbindung zu versehen, die ebenfalls ein elastisches Bauteil besitzt.
Auf jedem Segment (6) befindet sich eine Signalpositionsleuchte (31) gemäß Wasserstraßenverordnung. Bei Wasserkraftanlagen mit vielen Segmenten (6) und Segmentreihen (66) sind eventuell Signalpositionsleuchten (31) an Zug- und Umlenkseilen ((27), (26)) zu befestigen.
Das Wasserrad (2)
Besonders geeignet für diese Erfindung sind Wasserräder ((2) 10), die

• auf Grund ihrer Größe gut auswuchbar sind,
• eine starke Achse (2a) mit geringer Durchbiegung haben,
• relativ viele Schaufeln (2c) (mindestens 8) und
• einen relativ großen Durchmesser besitzen, wobei
• die Schaufelflächen möglichst bis zur Achse reichen.

Die Formgebung der Schaufeln muss nicht unbedingt mit der Darstellung in 10 identisch sein. Diese Erfindung kann mit den verschiedensten Schaufelformen, Anstellwinkeln, Abmessungen und sonstigen Details eines Wasserrades erfolgreich betrieben werden, wenn die o. g. Mindestanforderungen annähernd erfüllt sind. Auch können Schaufelräder verwendet werden, die einen unterschiedlichen Durchmesser an beiden Seiten besitzen (6 – Ansicht A).
Diese Erfindung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, das die Wassermassen durch einen Strömungskanal (8) fließen, der durch die Leitflächen ((3) – 1 und 3) und durch das Flussbett begrenzt wird und das Wasserrad (2) die gesamte Querfläche in voller Breite und Tiefe dieses Kanals erfasst. Auf diese Weise entsteht je nach Ausbremsung ein Stau in der Konzentratorzone ((8a) – 1).
Nur durch einen sehr kleinen und technisch bedingten Spalt zwischen den Schaufeln (2b) und den Leitflächen (3) kann Wasser ungenutzt in die Diffuserzone ((8b) – 1) gelangen.
Auch am unteren Ende der Schaufeln besteht nur ein sehr kleiner und technisch bedingter Spalt zur Bodenprofilleiste ((10) 4). Solange es kein extremes Hochwasser gibt und die Bodenprofilleiste (10) Bodenhaftung hat, bildet das Flussbett zwischen den Schwimmkörpern (1) eines Segments (6) die Unterseite eines „großen Strömungskanals" ((8) – 10), der sich über die Gesamtlänge der Leitflächen (3) erstreckt (vom Bug bis zum Heck der Schwimmkörper (1)).
In Zeiten extremen Hochwassers öffnet sich der o. g. „große Strömungskanal" partiell, der durch die Leitflächen ((3) – 1, 10) und das Flussbett gebildet wird.
Anstelle dieses „großen Strömungskanals" (8) bleibt ein kleinerer Strömungskanal übrig, der durch die Leitflächen (3) und die Bodenprofileiste ((10) – 4) mit den Strömungssegmenten ((10b) gebildet wird.
Wenn sich die Bodenprofilleiste (10) vom Flussbett löst, senken sich die Strömungssegmente (10b – 4) ab. Auf diese Weise vergrößert sich die Erntefläche. Tiefer gelegene Wasserschichten werden zusätzlich nach oben in den „kleinen Strömungskanal" gelenkt und durchströmen das Wasserrad (2).
Auf diese Weise kann auch bei extremem Hochwasser eine große Erntefläche effektiv zur Energieumwandlung genutzt werden.
Eine Optimierung des Wirkungsgrades kann weitgehend durch eine optimale Ausbremsung des Wasserrades (2) in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit erfolgen.
Grundsätzlich kann die Optimierung der Ausbremsung mittels Getriebe (möglichst stufenlos) und/oder mehrstufigen Generatoren (11) erfolgen. Diese Erfindung ist nicht auf eine spezielle Art einer solchen Optimierung beschränkt.
Auch lässt diese Erfindung offen, auf welche Weise die Kraft von der Achse (2a) des Wasserrades (2) auf das Getriebe und den Generator (11) übertragen wird.
Fernwartung/-diagnose und Verbindung zum Stromabnehmer
Beim Einsatz dieser Erfindung in größerer Zahl ist es sinnvoll und kostensparend, konstruktive Vorkehrungen zum Einbau von Sensoren und anderem elektronischen Equipment innerhalb der Schwimmkörper vorzusehen, die der Fernwartung und -steuerung sowie der Ferndiagnose dienen.
Da nicht alle Segmente (6) einer Wasserkraftanlage alle technischen Einrichtungen in gleichem Umfang benötigen (z. B. Gleichrichter oder ISDN, TDSL u. a. m.), ist ein Segment (6) einer Wasserkraftanlage – im folgenden Hauptsegment (6H) genannt – technisch bevorzugt und mit Equipment sowie entsprechenden Halterungen und Einschüben ausgerüstet.
Das elektronische und sonstige Equipment ist innerhalb der Schwimmkörper (1) eines Segments (6) untergebracht.
Die Verbindung zwischen einer Wartungszentrale bzw. einer Empfangsstation kann mittels Datenkabel (30D) oder per Funk realisiert werden.
Die Verkabelung/Kabelführung (30) für das Datenkabel (30D) und die obligatorischen Stromkabel (30S) hängt stark von der Verankerungsvariante ab.
Wenn Datenkabel (30D) zum Einsatz kommen, werden diese in physischer Nachbarschaft mit den Stromkabeln (30S) verlegt (einheitliche Kabelführung).

Hinweis: In 13, 14, 15 und 16 sind die Kabelführungen (30) durch eine fein gestrichelte Linie dargestellt.

Bei einer Buhnenverankerung ((23) – 16) erfolgt die Kabelführung (30) normalerweise über einen Abstandshalter (24a) zum Hauptsegment (6H).
Bei einer Gierseilfährenverankerung ((22) – 13) führen diese Kabel vom Hauptsegment (6H) über die Verankerung der Gierseilfähre (22) und im Flussbett zum Ufer. Eine Weiterführung dieser Kabel vom Hauptsegment (6H) bis zur Gierseilfähre (22a) – 13) ist möglich und sinnvoll.
Bei einer Verankerung am Ufer ((20) – 14) führen die Kabel von der Uferverankerung (20) zum Hauptsegment ((6H) – 14).
Bei einer Flussbettverankerung ((19) – 15) führen die Kabel vom Ufer durch das Flussbett bis zur Verankerung (19) und dann zum Hauptsegment (6H).
Unabhängig von der Verankerungsart gibt es Verkabelungen vom Hauptsegment (6H) zu allen anderen Segmenten (6) einer Wasserkraftanlage. Die einzelnen Kabelabschnitte ((30a) bis (30d) – 13, 14, 15, 16) zwischen den Segmenten (6) und (H6) werden über Kontaktstellen ((30k) – 10 sowie 13, 14, 15, 16) miteinander verbunden, die sich in unmittelbarer Nähe der Haltepunkte (25 – 10) befinden.
Die Kabelverbindungen ((30b) – 10) innerhalb eines Schwimmkörpers (1) sind fest verlegt.
Die Kabelverbindungen ((30a) – 13, 14, 15, 16) zwischen benachbarten Schwimmkörpern (1) sind an beiden Enden mit einer Schlaufe versehen, da sich zwei benachbarte Schwimmkörper geringfügig voneinander entfernen können.
Die Kabelverbindungen zwischen zwei Segmenten (6) benachbarter Segmentreihen (66) setzen sich aus folgenden Streckenabschnitten zusammen:

• ((30c) – 13, 14, 15, 16): Abschnitt zwischen Kontaktstelle (30k) und einer Seilumlenkeinrichtung (12),
• (30d) Abschnitt zwischen zwei Seilumlenkeinrichtungen (12) und
• (30c) Abschnitt zwischen Seilumlenkeinrichtung (12) und Kontaktstelle (30k).

Bei dieser Verkabelungsstrecke treten zwei Besonderheiten auf.

• Die Gesamtlänge über die drei genannten Abschnitte kann variieren.
• Die Kabel müssen an den Endpunkten bzw. an den Halterungen (25) unter Spannung gehalten werden, damit diese nicht zu stark durchhängen und ins Wasser eintauchen.

Deshalb sind die Kontaktstellen ((30k) – 10), die sich in der Nähe der Halterungen (25) befinden, mit einer Kabelspannvorrichtung (301) versehen.
Die Seilumlenkeinrichtungen ((12) – 13, 14, 15 und 16) zwischen den beiden Kontaktstellen (30k) besitzen eine Kabelführung ((12e) – 12, Ansicht A und Ansicht B), damit ein Durchhängen der Kabel und die Zugkraft auf die Kabel deutlich reduziert werden können.
Für längere Zugseile (27) und begrenzt auch für Umlenkseile (26) können die Kabelführungsblöcke ((18) – 17, 18)) zusätzlich verwendet werden, um ein Durchhängen der Kabel weitgehend zu vermeiden.
Kleinwindkraftanlagen (K-WKA) (32) Photovoltaikanlagen (33) und [0212]
Die meisten Installationsorte dieser Wasserkraftanlage zeichnen sich durch eine relativ geringe Rauhigkeit der Landschaft aus. Auch kann in vielen Fällen mit günstigen Windgeschwindigkeiten gerechnet werden (Ausnahme: dicht an einem Deich). Deshalb bietet sich an, auf diesen Wasserkraftanlagen seriell verfügbare Kleinwindkraftanlagen (32) zu installieren.
Die meisten Installationsorte dieser Wasserkraftanlage zeichnen sich auch dadurch aus, dass keine oder kaum Verschattungen durch Bäume und hohe Bauwerke auftreten. Zudem begünstigt die Fließrichtung vieler Flüsse die Südorientierung von Photovoltaikanlagen auf den Segmenten (6).
Auf Grund der o. g. Standortvorteile ([0212], [0213]) zeichnet sich diese Wasserkraftanlage dadurch aus, dass sie konstruktive Merkmale besitzt, die es gestatten, auf jedem Segment (6) dieser Wasserkraftanlage eine oder mehrere Kleinwindkraftanlagen (32) und/oder eine Photovoltaikanlage (33) zu installieren (19).
Zu einer Kleinwindkraftanlage (32) gehören folgende Komponenten:

• Mast (32a – 19) einer Kleinwindkraftanlage (K-WKA) (32),
• Befestigungspunkte ((32b) – 19) des Mastes (32a) am Schwimmkörper (1) und am Außengeländer ((9c) – 10) der Brücken (9),
• Verkabelung (32c) innerhalb des Mastes (32a) und innerhalb des Schwimmkörpers (1),
• Stromzähler (32d) für alle K-WKA einer Wasserkraftanlage im Hauptsegment (6H),
• (32e) Wechselrichter (wahlweise) für alle K-WKA einer Wasserkraftanlage im Hauptsegment (6H)

Zu einer Photovoltaikanlage (33) gehören folgende Komponenten:

• Dachfläche (33a) mit Solarzellen oder Photovoltaik-Folie,
• Befestigungspunkte (33b) an der Dachfläche (33a), am Innengeländer (9b) und am Schwimmkörper (1),
• Dachstütze (33c1), befestigt am Innengeländer (9b),
• Dachstütze (33c2), befestigt am Außengeländer (9c),
• Dachverstrebungen (33d),
• ein Stromzähler (33e) für die Photovoltaikanlage (33) im Hauptsegment (6H) einer Wasserkraftanlage,
• Wechselrichter (33f) für die Photovoltaikanlage im Hauptsegment (6H) einer Wasserkraftanlage.

Wenn auf einem Segment (6) eine Photovoltaikanlage (33) und Kleinwindkraftanlagen (32) installiert werden, wird der Mast ((32a) – 19) anstelle der Dachstütze (33c2) zur Stabilisierung der Dachfläche (33a) genutzt.

Hinweis: 19 illustriert eine Photovoltaikanlage (33) mit Photovoltaik-Folie, die auf der Dachfläche (33a) aufgeklebt ist. Es können auf dem Dach (33a) auch Solarzellen montiert werden.

Der Schwerpunkt entscheidender Komponenten eines Segments (6) wie z. B.

• die Bodenprofilleiste (10) mit den Strömungssegmenten (10b),
• die sechs Teleskop-Distanzhalter (4b) und
• die zwei Leitflächen (3) befindet sich unterhalb der Wasseroberfläche, und das Wasserrad (2) besitzt einen sehr niedrigen Schwerpunkt knapp oberhalb des Wasserspiegels.

Das großflächige Wasserrad (2) und die anderen o. g. Komponenten eines Segments (6) erfordern relativ breite und lange Schwimmkörper (2) mit möglichst geringem Tiefgang.
Auf Grund der o. g. konstruktiven Merkmale [0218] und [0219] ist es statisch ohne weiteres möglich, auf den Segmenten (6) eine Photovoltaikanlage (33) und Kleinwindkraftanlagen (32) zu installieren.
Die Brücken (9) eines Segments (6), die stark verstrebt sein müssen, um Parallelverschiebungen der Schwimmkörper (1) und Verklemmungen des Wasserrades (2) zu vermeiden, sind geeignet, um daran die Dachkonstruktion mit den Dachstützen ((33c1), (33c2)) für die Photovoltaikanlage (33) und die Masten (32a) für die Kleinwindkraftanlagen (32) zu befestigen.
Zusätzliche Befestigungspunkte ((32b), (33b)) – 19) an den Schwimmkörpern (1) und den Brücken (9) eines Segments (6) ermöglichen eine zusätzliche Installation von maximal vier Kleinwindkraftanlagen (32) und einer Photovoltaikanlage (33). Auf diese Weise kann zusätzlich Strom ohne CO₂-Emission und anderweitige Umweltbelastungen erzeugt werden, obwohl keine zusätzlichen Installationsflächen überbaut werden (Mehrfachnutzung von Flächen) [0842] Für den Fall, dass auf einem oder mehreren Segmenten (6) eine Photovoltaikanlage (33) und/oder Kleinwindkraftanlagen (32) installiert sind, müssen zusätzliche Kabelverbindungen zum Hauptsegment (6H) führen, das dann zusätzliche Strömzähler für die Photovoltaikanlagen (33) und die Kleinwindkraftanlagen (32) enthalten muss. Unter diesen Umständen ist es zweckmäßig, solche Stromkabel (30S) für die Steckenabschnitte zwischen Hauptsegment (6H) und den anderen Segmenten (6) einer Anlage zu verwenden, die mindestens siebenadrig sind und eine getrennte Stromführung für die Kleinwindkraftanlagen (32), den Photovoltaikanlagen (33) und den Generatoren (11) ermöglichen. Die Verkabelungen (30), die in den 13 bis 16 illustriert sind, ändern sich nicht, wenn mehradrige Stromkabel in o. g. Weise verwendet werden.
Anwendungsbeispiel
Im Mittelabschnitt der Elbe (z. B. bei Havelberg) beträgt die Fließgeschwindigkeit ca. 1 m/s. Die Flussbreite beträgt dort ca. 300 m im Mittel. Abzüglich der gegenüberliegenden Buhnen (ca. 2·50 m) und Fahrrinne (50 m) verbleiben noch ca. 150 m zu Aufstellung der hier beschriebenen Wasserkraftanlage.
Das folgende Beispiel geht davon aus, dass am o. g. Installationsort nur eine Uferseite in einer Breite von 70 m genutzt wird. An einem Buhnenkopf wird dort eine Segmentreihe (66) mit 7 Segmenten a 10 m Breite installiert.
Die Fließgeschwindigkeit (V) in Höhe des Buhnenkopfes dürfte über dem Durchschnitt liegen. Angenommen wird eine geringfügige Erhöhung der Fließgeschwindigkeit um 0,3 m/s auf 1,3 m/s.
Die mittlere Wassertiefe zwischen Buhnenkopf und Fahrrinne wird mit 2,5 m angenommen.
Unter den o. g. Umständen ergibt sich eine Erntefläche von 70 m × 2,5 m = 175 m² bei einer Fließgeschwindigkeit 1,3 m/s.
Damit beträgt die verfügbare kinetische Leistung (Input: P_kin) nach folgender Formel Pkin = 0,5·Dichte (1000 kg (m3)·Erntefläche (175 m2)·V3 (1,33 = 2,197) 192237,5 Watt oder rund 192 kW.
Bei einem Wirkungsgrad von 0,4 ergibt das rund 77 kW (Output).
Bei einer jährlichen Betriebsdauer von 8.000 Std. (max. 8760 Std. minus 760 Std. Wartungs- und Ausfallzeiten) ergibt sich ein jährlicher Ertrag von 8.000 Std.·77 KW = 0,616 Mill. KWh im Jahr.
Beträgt der mittlere Verbrauch eines Einwohners in der Bundesrepublik Deutschland 1.000 kWh im Jahr, könnten unter den o. g. Voraussetzungen 616 Einwohner komplett mit Strom versorgt werden.
Geht man von einem zukünftigen Strompreis aus, der im Mittel bei 0,25 EUR liegt, können in 10 Jahren 1,54 Mill. EUR (netto) Einnahmen verbucht werden. Der Preis eines Segments (6) (einschließlich Installation, Wartung u. a.) sollte unter diesen Umständen 220.000 EUR nicht überschreiten, wenn eine Rückflussdauer von 10 Jahren erreicht werden soll.
Für die zusätzliche Installation von Photovoltaikanlagen (33) auf allen sieben Segmenten (6) steht nach o. g. Voraussetzungen eine Fläche von rund 70 m (quer über alle Segmente (6)) mal Länge der Segmente (Bug-Heck) zur Verfügung.
Bei einer angenommenen Gesamtbreite eines Segments (6) von 10 m sollte die Länge der Schwimmkörper (1) mindestens 15 m betragen. Wie die 19 veranschaulicht, kann die Dachfläche (30a) in Bug- und Heckrichtung einen Überstand haben, während die Segmentbreite von 10 m nicht vollständig genutzt werden kann. Unter Beachtung dieser Umstände ergibt sich eine Dachfläche (30a) von rund 1050 m², die nach 19 mit Photovoltaikelementen ausgestattet ist.
Setzt man voraus, dass 15 m² 1 kW_pik ergeben und 1 kW_pik 900 kWh (standortabhängig) im Jahr liefert, dann ergibt sich aus diesen Annahmen ein Jahresertrag von 63.000 kWh.
Zusätzlich können auf den sieben Segmenten (6) 16 Kleinwindkraftanlagen (32) mit einer Nennleistung von maximal je 5 kW installiert werden.
Bei den folgenden Berechnungen wird eine Nennleistung von 3 kW bei 10 m/s und einer mittleren Windgeschwindigkeit von 3,5 m/s ausgegangen. Der Arbeitsbereich soll zwischen 3 m/s (Anlaufpunkt) und 15 m/s (Abschaltung) betragen. Ferner wird eine Windverteilung nach Weibull mit dem Formfaktor k = 2 (typisch für Deutschland) und der mittleren Windgeschwindigkeit von 3,5 m/s (bzw. Faktor A = 4,023) angenommen.
Unter den o. g. Voraussetzungen liefert eine Kleinwindkraftanlage (32) ca. 3000 kWh (plus/minus 500 kWh). Die 16 installierten Kleinwindkraftanlagen (32) liefern näherungsweise 48.000 kWh im Jahr.
Auf einer Wasserfläche von rund 1050 m² (ca. 1/10 ha) können 616.000 kWh im Jahr durch Wasserkraft und 727.000 kWh im Jahr insgesamt erzeugt werden.
Ferner können durch diese umweltfreundliche Art der Stromerzeugung entsprechende CO₂-Emmissionen vermieden werden.
Stand der Technik im Vergleich
Wasserräder, die von zwei Schwimmkörpern getragen wurden, gab es bereits vor mehr als 500 Jahren. Sie wurden Schiffsmühlen genannt und zeichneten sich durch folgende konstruktive Merkmale aus:

• Die Höhenregulierung des Wasserrades erfolgte nur durch den Wasserstand. Es gab keine Höhenverstellung des Wasserrades relativ zu den Schwimmkörpern.
• Durch die Formgebung der Schwimmkörper (i. d. R. Bootsform an der Anströmseite) bildete sich ein partieller Strömungskanal aus, der nach unten hin offen war.
• Schiffsmühlen bestanden zunächst aus einem Wasserrad und zwei Schwimmkörpern und einem Mühlenhaus. Sie wurden sowohl einzeln als auch in Gruppen aufgestellt und verankert.

Entsprechend der o. g. Merkmale der historischen Schiffsmühlen sind Wasserräder auf Schwimmkörpern nach den vorgenannten Wirkprinzipien keine patentierbare Neuheit.
Im Gegensatz zu den o. g. Schiffsmühlen besitzt diese Erfindung eine automatische Höhenverstellung des Wasserrades (2) relativ zu den Schwimmkörpern (1), bewirkt durch die Distanzsteuerungen ((4) – 2) und (44).
Der Strömungskanal ((8) – 10) dieser Erfindung ist gegenüber den Schiffsmühlen an den Seiten durch die Leitflächen (3) und nach unten durch das Flussbett oder bei extremem Hochwasser durch die Bodenprofilleiste (10 – 4)) mit den Strömungssegmenten (10b) begrenzt.
Diese Erfindung ermöglicht durch spezielle konstruktive Merkmale, dass im Gegensatz zu den Schiffsmühlen mehrere Segmente ((6) – bzw. mehrere Wasserräder mit ihren Schwimmkörpern) zu Segmentreihen (66) und mehrere Segmentreihen (66) wiederum zu einer Gesamtanlage verbunden werden können.
Die neueren Entwicklungen schwimmender Wasserkraftanlagen betreffen kleinere Einzelwasserkraftwerke mit Turbinen (z. B. Stromboje von Aqua Libre Energieentwicklungs GmbH) nach einem anderen Wirkprinzip als das dieser Erfindung.
Viele Patente wie z. B. DE 101 34 522 B4 20005,07.07 beziehen sich auf die Optimierung des Wirkungsgrades von ober-, mittel- und unterschlächtigen Wasserrädern.
Von Bedeutung für diese Erfindung sind nur Patente und Gebrauchsmuster zu kleinen und mittleren Wasserkraftanlagen mit unterschlächtigen Wasserrädern, die von Schwimmkörpern getragen werden (z. B. Offenlegungsschrift DE 10 2006 014 205 A1 2007.05.10). Die meisten dieser Patente beziehen sich auf die Optimierung eines bestimmten Wasserrades und nicht so sehr auf die konstruktiven Merkmale der Schwimmkörper und Verankerungskomponenten.
Im Gegensatz dazu ist diese Erfindung nicht an ein bestimmtes Wasserrad gebunden. Für die hier beschriebene Wasserkraftanlage (WAKA) ab [0001] können die verschiedensten Typen von Wasserrädern (2) verwendet werden, auch solche, die noch nicht patentiert sind.
Weder bei den historischen Schiffsmühlen noch bei den modernen und zugleich patentierten Wasserkraftanlagen mit Wasserrad ist vorgesehen, eine Anlage mit mehreren separaten Segmenten (6) zu Segmentreihen (66) zu verbinden. Es gibt zwar in der Offenlegungsschrift DE 10 206 053 733 A1 (2008.01.10) eine Beschreibung eines Wasserrades mit mehreren Schaufelrädern auf einer Achse. Es handelt sich dabei um ein einzelnes Wasserrad mit unterbrochenen Schaufelflächen auf einer Achse und nicht um mehrere separate Wasserräder.
Eine weitere Offenlegungsschrift 24 46 980 (Aktenzeichen P 2446 980.5 Offenlegungstag 15.04.1974) beschreibt eine Erfindung mit mehreren Wasserrädern, die starr miteinander verbunden sind.
Im Gegensatz zur letztgenannten Schrift (24 46 980) bestehen wesentliche Unterschiede zu dieser Erfindung:

• Die Segmente (6) sind nicht starr sondern flexibel miteinander verbunden (Komponenten ((14), (15), (16) (17)), um Beschädigungen an den Schwimmkörpern bei auftretenden Niveauunterschieden des Wasserspiegels und anderen Umständen zu vermeiden. Die technische Umsetzung ist völlig anders.
• Eine Kopplung mehrere Segmentreihen (66) zu einer Wasserkraftanlage ist in der Offenlegungsschrift 24 46 980 nicht beschrieben.
• Die konstruktiven Merkmale der Zellen und ihrer Kopplung nach Schrift 24 46 980 unterscheiden sich von den Segmenten (6) und Segmentreihen (66) dieser Erfindung wesentlich.
• und entscheidende Komponenten wie die Distanzsteuerungen ((4) (44) in Verbindung mit der Bodenprofilleiste (10)) fehlen.
• Eine automatische Höhenregulierung der Wasserräder relativ zu den Schwimmkörpern ist laut Schrift 24 46 980 nicht vorhanden.

Darüber hinaus zeichnet sich diese Erfindung durch konstruktive Merkmale aus ((12), (13), (24), 25) usw.), die es ermöglichen, mehrere Segmentreihen (66) miteinander so zu verbinden und zu verankern, dass die Positionierung der Segmentreihen (66) den konkreten Standortbedingungen optimal angepasst werden kann. In anderen Patentschriften sind die konstruktiven Merkmale dieser Erfindung zur Verbindung von Wasserkraftanlagen in o. g. Weise nicht zu finden.
Wie bereits unter [0241] hingewiesen, wurde das Prinzip des Strömungskanal bei den historischen Schiffsmühlen bereits ausgenutzt, wobei dieser Kanal jedoch nach unten hin offen war und eine seitliche Begrenzung durch die Bootskörper nur partiell ausgeprägt war.
Im Gegensatz dazu existiert ein Patent EP 1 731 757 A1 , das eine Wasserkraftanlage mit einem Strömungskanal beschreibt, der durch seitliche Leitfiächen und nach unten hin durch eine Bodenplatte begrenzt wird.
Im Gegensatz dazu nutzt diese Erfindung einen Strömungskanal, der keine Bodenplatte benötigt. Erlangt wird dieser Vorteil durch eine Reihe konstruktiver Merkmale und Komponenten wie Distanzsteuerungen ((4), (44)), absenkbare Leitflächen (3) bis zum Flussbett in Verbindung mit Senkplatten (3b) und der Bodenprofilleiste (10) in Verbindung mit den Strömungssegmenten (10b).
Nach dem derzeitigen Wissensstand und Rechercheergebnis beschreibt das o. g. Patent EP 1 731 757 A1 den modernsten Stand der Technik bei Wasserrädern auf Schwimmkörpern. Diese Erfindung hat gegenüber dem o. g. Patent folgende Neuerungen und Verbesserungen:

• Bei dieser Erfindung entfällt die schwere Bodenplatte für den Strömungskanal (8). Deshalb können die Schwimmkörper (1) und andere Bauteile wesentlich kleiner dimensioniert werden.
• Diese Erfindung besitzt im Gegensatz zum o. g. Patent ( EP 1 731 757 A1 ) automatische Höhenregulierungen ((4) – 2 und (44)) des Wasserrades (2) und des Strömungskanals (8) relativ zu den Schwimmkörpern (1).
• Die Hebevorrichtungen (5) und (55) für Havariesituationen sind im o. g. Patent nicht vorgesehen.
• Die Wasserkraftanlage nach o. g. Patent ( EP 1 731 757 A1 ) besteht nur aus zwei Schwimmkörpern mit einem Wasserrad. Eine Kopplung mehrerer Anlagen nebeneinander und hintereinander ist nicht vorgesehen. Konstruktive Merkmale dazu fehlen.
• Die Wasserkraftanlage nach o. g. Patent ( EP 1 731 757 A1 ) wird an beiden Uferseiten verankert und in Flussmitte positioniert. Eine Installation in Flüssen mit Schiffsverkehr ist somit ausgeschlossen.

Diese Erfindung besitzt auf Grund der Neuerungen gegenüber dem o. g. Patent folgende wesentliche Vorteile:

• Sie ist für die Jahreserträge optimiert und nutzt als Erntefläche die verfügbare Flussbreite zwischen Fahrrinne und Ufer (bzw. Buhne) sowie die verfügbaren Wassertiefen bei allen Wasserständen aus (mit Einschränkungen bei extremem Hochwasser).
• Die anströmenden Wassermassen in den Strömungskanälen werden von den Wasserrädern (2) fast vollständig erfasst und zur Energieumwandlung genutzt.
• Entsprechend den natürlichen Gegebenheiten am Installationsort können die einzelnen Segmente (6) optimal zu Segmentreihen (66) konfiguriert und auf verschiedenste Art verankert werden.
• Insbesondere an Buhnen bilden sich natürliche Strömunskanäle durch das Flussbett aus, in die die Strömungskanäle (8) dieser Wasserkraftanlage optimal eingebettet werden. Das Flussbett begrenzt auch die Unterseiten der Strömungskanäle (8) dieser Erfindung.
• Im Gegensatz zum Patent ( EP 1 731 757 A1 ) kann diese Wasserkraftanlage vor allem in Flüssen mit Schiffsverkehr eingesetzt werden.
• Auf Grund der größeren Erntefläche ist diese Wasserkraftanlage bei niedrigeren Fließgeschwindigkeiten rentabel.

1: Schwimmkörper
1a: Deck
1b: gerade Außenseite
1c: Innenseite zum Wasserrad hin
1d: Boden
2: Wasserrad
2a: Achse
2b: Achslager
2c: Schaufeln
2d: Achslagerungsblock des Hauptlagers
2d2: Achslagerungsblock des Nebenlagers
3: Leitflächen
3a: oberer fester Teil der Leitfläche
3b: Senkplatten
3c: Verbindung zwischen (3a) und (3b)
3d: Profilleisten
3e: Verbindungen zwischen (3a) und (3d)
4: Distanzsteuerung neben dem Wasserrad
4a: Distanzsteuerungsblock
4b: Teleskop-Distanzhalter
4c: Führungszone
4d: Begrenzer
2b: Lager
2d: Lagerhalterungsblock
5: Hebevorrichtung neben dem Wasserrad
5a: Hebeblock
5b: Hebemechanismus für den Hebeblock (5a)
5c: Hebemechanismus für die Positionierung des Distanzhalters (4b) am oberen Anschlag der Führungszone (4c)
6: Segment
6H: Hauptsegment
7: Synchronisationssteuerung der Doppellager
7f: Doppelrolle
7g: Ausgleichsrolle
7h1: Umlenkrolle
7h2: Umlenkrolle
7h3: Umlenkrolle
7h4: Umlenkrolle
7h5: Umlenkrolle
7i: Spannseil
7j: Spannseil
7k: Ausgleichsseil (71)
7m: Seilspannvorrichtung
8: Strömungskanal
8a: Konzentrator (Bereich im Strömungskanal vor dem Wasserrad in Fließrichtung
8b: Diffuser (Bereich im Strömungskanal hinter dem Wasserrad (flussabwärts)
9: Brücke zwischen zwei Schwimmkörpern eines Segments (gleichzeitig Steg zur Begehung und Halterung für Ankerseile
9a: Brückenboden
9b: Geländer auf der Innenseite
9c: Geländer auf der Außenseite
9d: Diagonalverstrebungen
9e: Befestigungstreben zum Schwimmkörper
10: Bodenprofilleiste
10a: Hauptkörper der Bodenprofilleiste oder als technologische Variante Zusammensetzung von (10a) aus Einzelteilen: (10a1) (10a2) (10a3) (10a4) usw.
10b: Strömungsprofile
10c: Halterung der Strömungsprofile
10d: unterer Begrenzer für die Strömungsprofile
10e: oberer Begrenzer für die Strömungsprofile
10f: Nase (Anschlag) eines Strömungsprofils
10g: Höhenausgleichsständer
10h: Befestigung der des Hauptkörpers (10a) Bodenprofilleiste (10) am Distanzhalter (4b)
10i: bewegliche Verbindungen zwischen (10x1, (10a2), (10a3) usw.
10j: bewegliche Verbindungen zwischen (10x1, (10a2), (10a3) usw.
10k: Distanzlaschen
101: Distanzlaschen
11: Generator und Getriebe
11W: Wechselrichter mit Zubehör nur bei Hauptsegmenten (6H), wenn Gleichstromgeneratoren verwendet werden.
12: Seilumlenkeinrichtung
12a: Leitfläche
12b: Umlenkrolle
12c: Halterung für (12b)
12d: Befestigung des Zugseils
12e: Kabelführung (für Strom- und Datenkabel
13: Seilstopper
13a: Korpus des Seilstoppers (2 Hälften)
13b: Spannbolzen
13c: Laufrolle
13d: Führungsschiene
14: Verbindungsbolzen
14a: Bolzen
14b: Druckfeder
14c: Begrenzer
15: Stabilisierungseinheit zur Segmentkopplung
15a: Stabilisierungsblock
15b: Umlenkrollen
15b1: Umlenkrolle
15b2: Umlenkrolle
15c: Seilzug
15d: Verknüpfungspunkt für (15c)
15e: Führungsschiene
16: elastisches Pufferelement
17: Spreizvorrichtung
17a: Druckfeder
17b: Bolzen
17c: Begrenzer
18: Kabelführungsblock
18a: Seilklemmblock
18b: Kabelführungsring
18c: Spannbolzen
19: Verankerung im Flussbett (stromaufwärts)
19a: Verankerung im Flussbett (stromabwärts)
20: Verankerung am Ufer (stromaufwärts)
21: Dalbenverankerung (stromaufwärts)
22: Gierseilfährenverankerung – spezieller Verankerungspunkt am Zugseil einer Gierseilfähre (stromaufwärts)
22a: spezieller Verankerungspunkt am Zugseil einer Gierseilfähre (stromabwärts) (23)
23a: Verankerung auf einer Buhne (flussaufwärts)
24: Verankerung auf einer Buhne (flussabwärts)
6: Abstandshalterung zwischen Buhne und Segment
24a: Buhnenabstandshalter
24b: Verankerung für den Buhnenanstandhalter (24a)
24c: Halterung für den Buhnenabstandshalter am Segment (6)
25: Halterung an der Brücke (9) für die Kopplung und Verankerung von Segmenten (6) und Segmentreihen (66)
26: Umlenkseil
27: Zugseil
28: Uferverankerung von Segmentreihen quer zur Fließrichtung
28a: Zugseil
28b: Uferverankerung Verbindung des Zugseils am Segment (24c)
30: Verkabelung/Kabelführung – Verlauf der Strom- und Datenkabel
30a: Abschnitt zwischen zwei benachbarten Segmenten (6) einer Segmentreihe (66)
30b: Abschnitt innerhalb eines Schwimmkörpers (1) in Längsrichtung
30c: Abschnitt zwischen Kontaktstelle (30k) und einer Seilumlenkeinrichtung (12)
30d: Abschnitt zwischen zwei Seilumlenkeinrichtungen (12)
30e: Abschnitt unterhalb der Abstandshalterung (24) zwischen (24b) und (24c)
30k: Kontaktstelle
301: Kabelspanneinrichtung an der Kontaktstelle (30k)
30D: Datenkabel
30S: Stromkabel
31: Signalpositionsleuchte mit Stromversorgung
32: Kleinwindkraftanlage mit Mast, Verkabelung und separaten Stromzähler (Kurzbezeichnung K-WKA)
32a: Mast einer K-WKA
32b: Befestigungen des Mastes am Schwimmkörper (1) und am Außengeländer (9c) der Brücke (9)
32c: Verkabelung innerhalb des Mastes (32a) und innerhalb des Schwimmkörpers
32d: ein Stromzähler für alle K-WKA im Hauptsegment (6H) einer Wasserkraftanlage
32e: Wechselrichter (wahl-weise) für alle K-WKA im Hauptsegment (6H) einer Wasserkraftanlage
33: Photovoltaikanlage mit Solarzellen oder Photovoltaik-Folie sowie Verkabelung und mit einem separaten Stromzähler
33a: Dachfläche
33af: Photovoltaikfolie
33b: Befestigungen an der Dachfläche (33a), am Innengeländer (9b) und am Schwimmkörper (1)
33c1: Dachstütze, befestigt am Innengeländer (9b)
33c2: Dachstütze, befestigt am Außengeländer (9c)
33d: Dachverstrebungen
33e: ein Stromzähler für die Photovoltaikanlage im Hauptsegment (6H) einer Wasserkraftanlage.
33f: Wechselrichter für die Photovoltaikanlage im Hauptsegment (6H) einer Wasserkraftanlage.
44: Distanzhalterung in Bugnähe (Anströmseite) und Hecknähe (Ablaufseite)
4a: Distanzsteuerungs-block
4b: Teleskopdistanzhalter
4c: Führungszone
4d: Begrenzer
2d2: Lagerhalterungsblock Funktionsprinzip wie bei der Distanzsteuerung (4) neben dem Wasserrad (2)
55: Hebevorrichtung in Bug- und Hecknähe eines Schwimmkörpers (1) – (nach dem Funktionsbetrieb der Hebevorrichtung (5) neben dem Wasserrad)
66: Segmentreihe – bestehend aus mehreren Segmenten (6), die nebeneinander verbunden sind.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10134522 B4 [0247]
- DE 102003014205 A1 [0248]
- DE 10206053733 A1 [0250]
- EP 1731757 A1 [0255, 0257, 0257, 0257, 0257, 0258]

Claims

Die Wasserkraftanlage mit Wasserrädern, Schwimmkörpern, automatischer Höhenregulierung, Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaik – im Folgenden als „Wasserkraftanlage" bezeichnet – besteht wie folgt aus notwendigen und fakultativen Komponenten, wobei die fakultativen Komponenten als solche ausgewiesen sind. • einem oder mehreren Segmenten (6), • diversen Verankerungskomponenten und Zubehör für die Verbindung zwischen den Segmenten (6) • Verkabelung (30) • fakultativ: Photovoltaikanlagen (33) und • fakultativ: Kleinwindkraftanlagen (32) Ein Segment (6) setzt sich aus folgenden Hauptkomponenten zusammen: • zwei Schwimmkörper (1), • ein Wasserrad (2), • zwei Leitflächen (3), • zwei Brücken (9) zwischen den Schwimmkörpern (1) • zwei Hebevorrichtungen (5), • vier Hebevorrichtungen (55), • zwei Distanzsteuerungen (4), • vier Distanzsteuerungen (44), • eine Bodenprofilleiste (10), • ein Generator mit Getriebe (11) oder ein Generator und Getriebe (11). • zwei Stabilisierungseinheiten (15) zur Segmentkopplung mit Verbindungsbolzen (14) (nur, wenn eine Anlage aus mehreren Segmenten (6) besteht) • Ein Segment (6) der Wasserkraftanlage, das mit einem Stromabnehmer verkabelt ist (auch als Hauptsegment bezeichnet (6H)) enthält fakultativ Wechselrichter (11W) mit Zubehör und fakultativ Stromzähler. • vier Halterungen (25) an den Brücken (9) • vier Kontaktstellen (30k) (für Strom- und Datenkabelanschlüsse) • bis zu vier Kabelspanneinrichtungen (301) • fakultativ: Kabelführungsblöcke (18) • Strom- und Datenverkabelung (30b) innerhalb eines Segments (6). • fakultativ: zwei Halterungen für Buhnenabstandshalter (24c), • mindestens eine Signalpositionsleuchte (31) mit Stromversorgung, • fakultativ: eine Photovoltaikanlage (33) • fakultativ: ein oder mehrere Kleinwindkraftanlagen (32) • fakultativ: Sensoren und Elektronik zur Optimierung der Ausbremsung des Wasserrades • fakultativ: Sensoren und Elektronik für die Ferndiagnose und Fernwartung Zu den Verankerungskomponenten und zum Zubehör für die Verbindung zwischen den Segmenten (6) gehören • fakultativ: Seilumlenkeinrichtungen (12), • fakultativ: Seilstopper (13). • fakultativ: Umlenkseile (26) • Zugseile (27), • Verankerung stromaufwärts – auf einer Buhne (23) oder – am Ufer (20) oder – an einer Dalbe (21) – im Flussbett (19) oder – an einer Gierseilfähre (22) • Fakultativ: Verankerung stromabwärts – auf einer Buhne (23a), – im Flussbett (19a) – an der Verankerung einer Gierseilfähre (22a) • fakultativ: Uferverankerung (28) von Segmentreihen (66) quer zur Fließrichtung, • fakultativ: Abstandshalterung (24) • fakultativ: Spreizvorrichtungen (17) Die Verkabelung erfolgt je nach Anzahl der Segmente (6) und Segmentreihen (66) über maximal vier Kabelstrecken: • zwischen einem Stromabnehmer (z. B. öffentliches Netz) und dem Hauptsegment (6H), • zwischen zwei Segmenten (6) benachbarter Segmentreihen (66), nur wenn die Anlage aus mehreren Segmentreihen (66) besteht, • zwischen zwei benachbarten Segmenten ((6), einer Segmentreihe (66), wenn diese aus mehreren Segmenten besteht, • Verkabelung innerhalb eines Segments (6) und Hauptsegments (6H) mit vier Kontaktstellen (30k) zur Verbindung zwischen den o. g. Kabelstrecken.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserräder (2) und die Leitflächen (3) mithilfe der Distanzsteuerungen (4) und (44) abhängig vom Wasserstand höhenverstellbar relativ zu den Schwimm-körpern (1) sind.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 2. ist dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzsteuerungen (4) und (44) in Verbindung mit den Leitflächen (3) und den Senkplatten (3b) bei Niedrigwasser, bei normalem und erhöhten Wasserstand einen Strömungskanal (8) bilden, wobei die Besonderheit darin besteht, dass dieser Strömungskanal (8) an der Unterseite durch den Grund bzw. das Flussbett begrenzt wird.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 2. ist dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzsteuerungen (4) und (44) in Verbindung mit der Bodenprofilleiste (10) und den zugehörigen Strömungssegmenten (10b) bei Hochwasser einen Strömungskanal (8) bilden, der durch die Leitflächen (3) und der Bodenprofilleiste (10) mit den zugehörigen Strömungssegmenten (10b) begrenzt wird.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. bis Anspruch 4. ist dadurch gekennzeichnet, dass sich bei allen Wasserständen ein Strömungskanal (8) ausbildet. Bei Hochwasser wird dieser durch die Leitflächen (3) und die Bodenprofilleiste (10) mit den Strömungssegmenten (10b) begrenzt. Bei anderen Wasserständen wird der Strömungskanal (8) durch die beiden Leitflächen (3) und dem natürlichen Untergrund (Flussbett) gebildet.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. bis Anspruch 5. ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserquerschnitt des Strömungskanals (8) bei allen Wasserständen durch die Distanzsteuerungen (4) und (44) erheblich vergrößert wird.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. bis Anspruch 5. ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserrad (2) den gesamten Wasserquerschnitt des Strömungskanals (8) bei allen Wasserständen an der schmalsten Steile erfasst, wobei der Wasserquerschnitt durch die Leitflächen (3) und das Flussbett oder bei Hochwasser durch die Leitflächen (3) und die Bodenprofilleiste (10) mit den Strömungssegmenten (10b) begrenzt wird.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anzahl der Schaufeln (2c) des Wasserrades (2) sowie der Breite und Formgebung des Hauptkörpers (10a) der Bodenprofilleiste (10) kein Wasser zwischen zwei Schaufeln (2c) über die Bodenprofilleiste (10) ungehindert durchfließen kann, weil sich zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Schaufel (2c) im Bereich des Hauptteils (10a) der Bodenprofilleiste (10) befindet und sich bei jeder Position im diesem Bereich nur ein sehr kleiner und technisch bedingter Spalt zwischen Schaufel (2c) und Bodenprofilleiste (10) bildet.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. bis Anspruch B. ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die Distanzsteuerungen (4) und (44) in Verbindung mit den Leitflächen (3) und der Bodenprofilleiste (10) der Wasserquerschnitt im Strömungskanal (8) bei allen Wasserständen optimiert wird und dieser Querschnitt vollständig vom Wasserrad (2) erfasst und zur Energieumwandlung genutzt wird.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die Distanzsteuerungen (4) und (44) in Verbindung mit der Bodenprofilleiste (10) eine Beschädigung der Schaufeln (2c) des Wasserrades (2) durch Bodenkontakt verhinderbar ist.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 10. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie auch bei Niedrigwasser funktionsfähig ist.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 10. und Anspruch 11. ist dadurch gekennzeichnet, dass die Teleskop-Distanzhalter (4b) der Distanzsteuerungen (4) und (44) ein Segment (6) auch ohne Auftrieb an den Schwimmkörpern (1) in einer waagerechten und stabilen Position halten.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Segmente (6) nebeneinander angeordnet und mit mehreren Verbindungsbolzen (14) im Zusammenspiel mit einer Stabilisierungseinheit (15) elastisch zusammengehalten werden können. Eine fakultativ ausbildbare Spreizvorrichtung (17) an benachbarten Geländern (9b) dient der Unterstützung der Stabilisierungseinheit (15).
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 13. ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Segmente (6) auf Grund der geraden Außenseite (1b) der Schwimmkörper (1) zu einer Einheit elastisch miteinander verbunden werden können.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 13. und Anspruch 14. ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbolzen (14) durch die Stabilisierungseinheit (15) waagerecht und im rechten Winkel zur geraden Seitenwand eines Schwimmkörpers (1) gehalten werden (Vermeidung von Verkantungen).
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 13. bis Anspruch 15. ist dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Verbindungen zwischen zwei Segmenten (6) mittels Verbindungsbolzen (14) und der Stabilisierungseinheit (15) im Zusammenspiel mit der Spreizvorrichtung (17) verhindern, dass insbesondere die Schwimmkörper (1) durch starke Wellenbewegungen oder starke Bodenprofiländerungen beschädigt oder zerstört werden.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 13. bis Anspruch 15. ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leitflächen (3) der benachbarten Segmente (6) an der Anström- und Abströmseite (Bug und Heck) leicht berühren, und es nur zu Aufspreizungen an diesen Stellen kommt, wenn extreme Kräfte (z. B. starke Wellenbewegungen) auftreten.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 13. bis Anspruch 16. ist dadurch gekennzeichnet, dass Segmente (6) zu einer Segmentreihe (66) verbindbar sind, die von der Fahrrinne bis Ufernähe oder bei Flüssen ohne Schiffs- und Bootsverkehr von Ufernähe zu Ufernähe reichen können.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 18. ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Niedrigwasser und normalem Wasserstandstand die anströmenden Wassermassen in der Gesamtbreite der Segmentreihe (66) durch die Strömungskanäle (8) der Segmentreihe (66) geleitet werden.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. ist dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Komponenten (9), (7) und (4) im Zusammenspiel verhindern, dass zwischen den beiden Schwimmkörpern (1) eines Segments (6) Parallelverschiebungen in horizontaler und vertikaler Richtung auftreten und Verklemmungen des Wasserrades (2) mit den Leitflächen (3) bewirken.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 20. ist dadurch gekennzeichnet, dass die höhenverstellbare Achse (2a) des Wasserrades (2) an beiden Enden doppelt gelagert werden kann.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 20. und Anspruch 21. ist dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Doppellagerung der Wasserradachse (2a) ein Synchronisationssteuerung (7) innerhalb der Distanzsteuerung (4) bewirkt, dass die wasserstandgesteuerte Höhenverstellung am Hauptlagerblock ((2b), (2d)) synchron auf den Nebenlagerblock ((2dd), (2b)) übertragen wird und die Leitflächen (3) im rechten Winkel zur Wasserradachse (2a) gehalten werden, um Verklemmungen des Wasserrades (2) zu vermeiden.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 20. ist dadurch gekennzeichnet, dass jede Brücke (9) zwischen den beiden Schwimmkörpern (1) eines Segments (6) an mindestens vier verschiedenen Punkten je Schwimmkörper (1) so fest mit dem Schwimmkörper (1) verbunden und verstrebt ist, das eine Parallelverschiebung der Schwimmkörper (1) eines Segmentes (6) in horizontaler und vertikaler Richtung verhindert wird.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. ist dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptteil (10a) der Bodenprofilleiste (10) an der Oberseite so geformt ist, dass sie der Kreisbewegung der Schaufeln (2c) folgt und nur ein sehr kleiner und technisch bedingter Spalt zwischen der dem Hauptteil (10a) der Bodenprofilleiste (10) und den Schaufeln (2c) im Bereich des Hauptteils (10a) der Bodenprofilleiste (10) entsteht.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 24. ist dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Hauptteils (10a) der Bodenprofilleiste (10) mit der Anzahl der Schaufeln so abgestimmt ist, dass sich zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Schaufel im Bereich des Hauptteils (10a) befindet, um zu vermeiden, dass Wasser zwischen zwei Schaufeln und dem Hauptteil (10a) der Bodenprofilleiste (10) ungehindert durchströmen kann.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 25. ist dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zu Anspruch 25. das Hauptteil (10a) aus mehreren Abschnitten (10a1), (10a2), 10a3) usw. zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Anschnitte bei extremem Hochwasser zusammen mit den Strömungssegmenten (10b) nach unten senken, um zusätzlich Wasser aus tieferen Schichten auf das Wasserrad (2) zu lenken.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 13. bis Anspruch 20. ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage aus einer oder mehreren Segmentreihen (66) und jede Segmentreihe (66) aus einem oder mehreren Segmenten (6) zusammengesetzt ist.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 27. ist dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentreihen (66) durch die Verwendung der Seilumlenkeinrichtungen (12) im Zusammenspiel mit den Seilstoppern (13) so miteinander verknüpfbar sind, dass auftretende Kräfte auf beide Schwimmkörper (1) eines Segments (6) und zwischen mehreren Segmenten (6) einer Segmentreihe (66) verteilbar sind.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 27. und Anspruch 28. ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich flussabwärts auf einer Buhne (23a), und im Flussbett (19a) verankerbar ist.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 27., Anspruch 28. und Anspruch 29. ist dadurch gekennzeichnet, dass ihre Segmentreihen (66) zusätzlich zum Ufer hin an Verankerungspunkten am Ufer (28) verankerbar sind.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 27. bis Anspruch 30. ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstandshalterung (24) mittels Buhnenabstandshalter (24a) in Verbindung mit einer Buhnenverankerung (24b) und Abstandshalterung (24c) für solche Segmentreihen (66) installierbar sind, die sich in der Nähe eines Buhnenkopfes befinden.
Die Wasserkraftanlage nach Anspruch 1. ist dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Segment (6) eine Photovoltaikanlage (33) und maximal 4 Kleinwindkraftanlagen (32) installierbar sind.