DE202009013756U1

DE202009013756U1 - Energieautarker schwimmender Ganzjahres-Gewässerbelüfter

Info

Publication number: DE202009013756U1
Application number: DE200920013756
Authority: DE
Original assignee: SACK ERNST; Sack Ernst Dipl-Ing (fh)
Current assignee: SACK ERNST; Sack Ernst Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2019-10-10

Abstract

Schwimmender Gewässerbelüfter zur Verbesserung des Sauerstoffgehaltes im Wasser, dadurch gekennzeichnet dass dieser solar- oder/und windbetrieben ist und Ganzjahres-Betrieb ermöglicht.

Description

Die verallgemeinerte Devise „ohne Sauerstoff kein Leben” trifft, abgesehen von anaeroben Lebewesen, auch auf die Fauna und Flora in Fischteichen und ähnlichen Gewässern zu.
Normalerweise wird der in der Umgebungsluft zu etwa 21% enthaltene Sauerstoff u. a. durch Regen, Windbewegungen, beim Wasserzulauf über Steine und andere Hindernisse oder auch bei normaler pflanzlicher Assimilation in die Gewässer eingebracht. Fische nehmen den im Wasser gelöst vorhandenen Sauerstoff mit ihren Kiemen, den Lungen der Fische, zusammen mit dem Wasser auf.
Ein ausreichender Sauerstoffgehalt des Wassers ist für das Wachstum und die Gesundheit der Fische essenziell. Darüber hinaus ist er für die Ausgewogenheit der verschiedensten, im Wasser befindlichen Pflanzen, Kleinlebewesen und Stoffe erforderlich, was letztlich auch wieder günstige Voraussetzungen für Fischwachstum und Fischgesundheit schafft. Sauerstoff begünstigt ein intaktes Ökosystem. Alle biologischen und biochemischen Vorgänge hängen in hohem Maße von der Konzentration des Sauerstoffes im Wasser ab. Die im Gewässer lebenden abbauenden Bakterien können effektiver arbeiten und steigern dadurch dessen Filterleistung. Durch das Vorhandensein eines ausreichenden Sauerstoffanteils wird eine unerwünschte Planktonbildung, insbesondere störender Algenbelag, direkt und indirekt eingeschränkt.
Wird im Wasser mehr Sauerstoff verbraucht, als über die vorgenannten, natürlichen Prozesse hineingelangt, tritt ein schädliches Ungleichgewicht ein. Nachdem Wasser fähig ist, Sauerstoff aus der Umgebungsluft aufzunehmen und zu lösen, versuchte man schont seit Jahren, den Mangel hieran durch unterschiedliche technische Verfahren zu beheben, insbesondere durch
Oberflächenbelüftung mittels Schaufelräder, Kreisel, Quirl, Düsen, Walzen usw..
Pneumatisch, z. B. Druckbelüftung mit geeigneter Luftverteilung (z. B. Ausströmer).
Verwirbelung, mit Luftansaugung durch Beschleunigung des Wasserkörpers.
Reinsauerstoff, bisher nur in einzelnen Fällen angewandt.
Mit den vorgenannten Verfahren konnte und kann in der warmen Jahreszeit, in der die Fische wachsen und sich unter günstigen Verhältnissen sogar vermehren, vorhandener Sauerstoffmangel weitgehend behoben werden. Allerdings werden die auf dem Markt befindlichen, z. T. sehr leistungsstarken mechanisch-pneumatischen Belüfter, fast ausschließlich mittels Anschluss an einem Stromnetz betrieben. Diese Verfahren sind hinsichtlich des Energieverbrauches ökologisch wie ökonomisch wenig vorteilhaft, z. T. auch unfallträchtig. Sie sollten in einer Zeit des Bewusstwerdens um die immer knapper werdenden Energieressourcen nicht weiter sorglos angewandt werden. Wind und Sonne sind unerschöpflich und stehen mit den bekannten natürlichen Schwankungen unbegrenzt zur Verfügung. Gemäß dem Slogan „Wind und Sonne stellen keine Rechnung” kann nicht nur der bisher stets steigende Energieverbrauch gestoppt werden. Gleichzeitig werden die mitunter hohen Energiekosten eingespart. Im Verlauf der Jahre kann durch diese Einsparungen sogar entscheidend zur Tilgung entstandener Beschaffungskosten von Belüftern beigetragen werden. Es wird auch ein kleiner Beitrag zur Verbesserung unserer Kohlendioxyd-Bilanz geleistet. Nachdem sich die meisten Gewässer ohnehin in Gelände ohne nutzbaren Netzanschluss befinden, stellt sich hierbei neben der Kostenfrage für dessen Installation auch die generelle Frage nach der Machbarkeit. Allein die Kosten eines Netzanschlusses im freien Gelände, können die Beschaffungskosten eines geeigneten Belüfters weit übersteigen.
Für die nähere Zukunft sind daher zweckmäßig gestaltete, Energie autarke, schwimmende Gewässerbelüfter, möglichst für Ganzjahresbetrieb geeignet, erforderlich. Diese können wind- oder/und solarbetrieben sein. Sehr vorteilhaft ist eine sogen. Hybridlösung, d. h. die gleichzeitige kombinierte Anwendung dieser beiden umweltschonenden Energiequellen Wind und Sonne. Weitere wichtige Aspekte dieser Energie autarken, schwimmenden Gewässerbelüfter sind:

– Ein Einsatz kann an jeder beliebigen, geeigneten Stelle des Gewässers erfolgen,
– trotz erforderlicher Verankerung ist ein Ortswechsel möglich,
– bei entsprechender Ausrüstung ist Ganzjahreseinsatz möglich,
– je nach Gewässergröße können auch mehrere Lüfter eingesetzt werden,
– Diebstahl und Vandalismus werden deutlich erschwert.

Die Schwimmbasis (1) kann aus unterschiedlichen, vorzugsweise unverrottbaren Materialien bestehen. Bei Verwendung von Metall, z. B. Aluminium oder von Kunststoffen, muss die erforderliche Schwimmfähigkeit durch Pontons oder dem Unterbau geeigneter Dämmschichten (5), z. B. dem unverrottbaren Styrodur, erreicht werden. Soweit Holz für die Schwimmbasis verwendet wird, eignet sich z. B. das Wasser unempfindliche engjährige Lärchenholz relativ gut.
Die Dämmschichten sind bei entsprechender Anordnung auch Voraussetzung für die in vielen Fällen so dringend notwendige, zumindest teilweise Eisfreihaltung im Winter. Soweit in den Gewässern Fische überwintern sollen, geht mitunter bei einer, über längere Zeit geschlossenen Eisdecke, der erforderliche Sauerstoffgehalt im Wasser stark zurück. Dies wirkt sich bei schwachem oder fehlendem Wasserzulauf besonders ungünstig auf die Fische aus und es können hohe bis sehr hohe Verluste entstehen. Schwimmende Gewässerbelüfter bieten bei zweckmäßiger Konstruktion die Möglichkeit, geeignete Dämm-Materialien anzubringen und so ganz oder zumindest teilweise Abhilfe zu schaffen. Diese Dämmschicht kann so gestaltet sein, dass in Kombination mit der erforderlichen Verwirbelungszone (2) ein Strömungskanal (3) entsteht der das mit Sauerstoffangereicherte Wasser in eine vorbestimmte Richtung lenkt und eine fortwährende örtliche Dauerbelüftung vermeidet. Zweckmäßigerweise ist das offene Ende des Strömungskanals mit einer Luft durchlässigen, aber Wärme dämmenden, auf dem Wasserspiegel (8) schwimmenden Schicht, z. B. Styroporkügelchen (6) im Kunststoffnetz, zu verschließen. Elektrisch, in diesem Fall solarbetriebene Teichbelüfter, können sogar mittels zusätzlichen Heiz- oder Wärmeeinrichtungen, z. B. Heizspiralen (7) mit einer entsprechend geschalteten Auftauvorrichtung versehen werden. Dabei kann Überstrom genutzt werden. Dieser fällt an, wenn bei Sonnenschein und gleichzeitigem Stillstand möglicherweise festgefrorener Bewegungslüfter, der erzeugte Strom zum Schutz der DC-Motore ohnehin abgeleitet werden müsste. Auf diese Weise kann, in Kombination mit einer entsprechenden Dämmschicht, ein weitest gehender Frostschutz erreicht werden, sodass von einem möglichen Ganzjahresbetrieb ausgegangen werden kann.
Herzstück des Gewässerbelüfters ist eine kleine, schnell laufende, mindestens 2-stufige Belüftungsturbine (4) oder ähnliche Ausführung. Deren sehr effiziente Leistung ist auf den physikalisch vorteilhaften Vorgang der Verwirbelung zurück zu führen, bei dem die Drehrichtung des zu belüftenden Wassers im Auf und Ab der Wasserbewegung stets beibehalten wird. Das rotierende Wasser wirkt dabei ähnlich einer Schwungmasse und benötigt daher für den Belüftungsvorgang relativ wenig Energie. Diese effizienze Arbeitsweise ermöglicht eine entsprechend kleinere, ökonomisch günstige Bauweise dieses Gewässerbelüfters.
Die verwendeten Solarmodule (9), vorzugsweise mindestens drei, stehen senkrecht auf der Schwimmbasis und ermöglichen dadurch eine kleinere, kompakte Bauweise mit einem geschlossenen Innenraum, der gleichzeitig Wetterschutz für Motor, Kabel und Instrumente bietet. Infolge der senkrechten Modulstellung und deren möglichst rundum Anordnung wird auch die Gesamt-Belüftungszeit pro Tag und Jahr verlängert. Dies ist gemäß dem Reflexionsgesetz, wonach der Ausgangswinkel (11) dem Eingangswinkel (10) entspricht, durch eine bessere Verwertung der morgens und abends, sowie in den sonnenärmeren Jahreszeiten Herbst, Winter und Frühling tiefer einfallenden Sonnenstrahlen (12) möglich. Infolge senkrechter Aufstellung der Solarmodule werden also diese ohnehin schwächeren Sonnenstrahlen sowohl direkt, als auch indirekt über den Umweg der Reflexion bzw. Spiegelung, besser erfasst. Vielerorts, vor allem bei vertikaler Anbringung der Solarmodule, z. B. an Fassaden, werden bereits Reflexionen bzw. Spiegelungen der umgebenden Flächen zur Steigerung des Energieertrages herangezogen. Es bietet sich daher geradezu an, die auf der Schwimmbasis begrenzt vorhandene Grundfläche, insbesondere aber die relativ große reflektierende Wasserfläche, die im Winter auch noch von reflektierendem Eis oder Schnee bedeckt sein kann, zusätzlich zur Energiegewinnung zu nutzen.
In einem engem Zusammenhang mit der Reflexion stehen auch die Albedo-Werte. Diese sind ein Maß für das Rückstrahlungsvermögen diffus reflektierender, also nicht selbst leuchtenden Oberflächen. Die Albedo wird bestimmt durch den Quotienten aus reflektierter zu einfallender Lichtmenge. Sie reicht von 0,0 (sehr dunkel) bis 1,0 (sehr hell), wobei z. B. der Albedo-Wert für Schneeflächen von 0,45–0,90, also hell bis sehr hell, reicht. Bei Wasser liegt der Albedo-Wert relativ niedrig. Allerdings kann die Reflexion von ruhigem Wasser sehr hohe Werte erreichen.
Generell steht bei der Gewinnung photovoltaischen Stromes für Gewässerbelüfter weniger die mögliche Tagesspitzenleistung im Vordergrund, sondern ein möglichst lange über den Tag verteilter, der jeweiligen Stärke verwendeter DC-Motore entsprechender Stromanfall. Damit erübrigen sich auch die möglicherweise bei Netzeinspeisung vorteilhaften Nachführungssysteme, da evtl. anfallender Spitzenstrom von den Gewässerbelüftern kaum genutzt werden kann. Es ist ohnehin schwierig, in bewegtem Wasser eine wirkungsvolle Nachführung der Module zu erreichen. Günstiger für eine höhere Leistung dürfte an Stelle der Nachführung die Verwendung von zusätzlichen Solarmodulen sein. Diese können bei paralleler Schaltung der Solarmodule und Zwischenschaltung von geeigneten Sperrdioden, bei Schwachlicht oder Spiegelungen Leistung addierend wirken. – Bei richtiger Zuordnung von Stromerzeugern zu Stromverbrauchern kann mittels Direktbetrieb sogar auf Energiespeicher (Akkus) verzichtet werden.
Sehr vorteilhaft ist auch die hier angewandte flexible, einseitige Verankerung (13–15) des Gewässerbelüfters an der Luf-Seite. Die nur einseitige Befestigung der Verankerung an der Schwimmbasis wirkt den auftretenden Windkräften entgegen und ermöglicht auch dadurch eine verkleinerte Bauweise. Das Verankerungsmaterial (Kette, Drahtseil usw.) muss allerdings zur Vermeidung von Überdrehungen mit einem Wirbel (15) ausgestattet sein. Die Gesamtlänge der Verankerung muss eine Überlänge für den möglichen Höchststand des Wassers enthalten, damit sich die Schwimmbasis einschließlich Belüftungsturbine auch bei ansteigendem Wasserstand stets unverändert zum jeweiligen Wasserspiegel (8) verhalten kann. Zusätzliche Seitenstabilisierung kann durch Windleitbleche (16) an der Lee-Seite der Schwimmbasis erreicht werden.
Mit der hier beschriebenen Neuentwicklung wird, trotz aller natürlichen und unvermeidlichen Schwankungen, ein sich über das ganze Jahr erstreckende Einsatzbereitschaft ermöglicht. Diese dürfte ein großer Fortschritt auf dem Sektor energieautarke, schwimmende, Ganzjahres-Gewässerbelüfter sein.

1: Schwimmbasis
2: Verwirbelungszone
3: Ausströmungskanal
4: Belüftungsturbine, zweistufig
5: Dämmschicht
6: Styropor-Kügelchen im Kunststoffnetz
7: Heizspirale bzw. Heizkabel
8: Wasserspiegel
9: Solarmodul
10: Spiegelung/Reflexion (Eingangswinkel)
11: Spiegelung/Reflexion (Ausgangswinkel)
12: Sonnenstrahl
13: Verankerung (Kette bzw. Drahtseil)
14: Verankerung (Ballastgewicht)
15: Kettenwirbel
16: Windleitbleche zur Seitenstabilisierung

Es zeigen:
1 die Schwimmbasis mit funktionellen Teilen,
2 die zweistufige Belüftungsturbine,
3 die unterschiedliche Sonnen- und Reflexions-Einstrahlung am senkrecht stehenden Solarmodul,
4 u. 5 die flexible Verankerung des Gewässerbelüfters.

Claims

Schwimmender Gewässerbelüfter zur Verbesserung des Sauerstoffgehaltes im Wasser, dadurch gekennzeichnet dass dieser solar- oder/und windbetrieben ist und Ganzjahres-Betrieb ermöglicht.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmbasis (1) vorzugsweise aus weitgehend unverrottbarem Material, z. B. Aluminium oder Kunststoff besteht, evtl. auch wasserfestem Holz, z. B. Lärche.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Schwimmbasis enthaltene Unterbau aus unverrottbarem, Wärme dämmenden Material (5), z. B. Styrodur, besteht.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass diese Dämmschicht (5) maßgebend zur Schwimmfähigkeit beiträgt und in der erforderlichen Dicke eine Freihaltung von Eis unter der Schwimmbasis sichert.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die unter den Ansprüchen 3 und 4 erwähnte Dämmschicht mit entsprechenden Aussparungen versehen ist, die eine Verwirbelungszone (2) kombiniert mit einem Ausströmungskanal (3) bilden.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der unter Anspruch 5 erwähnte Ausströmungskanal mit entsprechenden, auf dem Wasserspiegel schwimmenden, in Kunststoffnetzen, z. B. Wäschenetz (6) abgefüllten Styroporkügelchen, so abgeschlossen ist, dass in Doppelfunktion bei Betrieb Luft einströmen kann, jedoch bei Lüfterstillstand, z. B. nachts, ein thermischer geschützter Stauraum zum Zweck der Eisfreihaltung besteht.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewässerbelüfter mit einer mindestens zweistufigen Belüftungsturbine (4) oder dieser ähnlichen Ausführung ausgestattet ist.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass in der favorisierten, zweistufigen Ausführung die Wasserlinie (8) in der Mitte des unteren Turbinenkranzes (4) verlauft und somit stets Wasserberührung besteht. Der obere Kranz befindet sich bei ruhendem Wasser über dem Wasserspiegel (8). Damit wird erreicht, dass zum Zweck des leichteren Anlaufens zunächst nur der untere Turbinenkranz im Wasser steht. Sobald sich infolge erhöhter Antriebsenergie auch die Drehgeschwindigkeit erhöht, wird entsprechend mehr Wasser nach oben gedrückt, vom oberen Turbinenkranz intensiv durchwirbelt, mit Umgebungsluft vermischt und als schäumendes Wasser wieder nach unten bewegt. Der untere, weitgehend axial wirkende Turbinenkranz, drückt schließlich das mit Sauerstoffangereicherte Wasser durch den Ausströmungskanal (3) nach außen.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die unter den Ansprüchen 7 und 8 beschriebene, zweistufige Belüftungsturbine das wirbelnde Wasser im Auf und Ab der Bewegung stets in einer Richtung gedreht wird. Dabei wirkt das wirbelnde Wasser gewissermaßen als Schwungmasse und bewirkt eine sehr effiziente Energieverwertung.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Solarmodule (9), vorzugsweise mindestens 3, senkrecht auf der Schwimmbasis montiert sind und durch eine rundum erfolgende Aufstellung einen geschützten Innenraum bilden.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrechte Stellung der Solarmodule eine bessere Nutzung der Umgebungsreflexion von Wasser, Schnee, Eis usw. ermöglicht. Gemäß dem Reflexionsgesetz entspricht der Ausgangswinkel (11) dem Eingangswinkel (10) der Strahlen. So wird z. B. ein mit nur 15 Grad auf die Waagrechte fallender Strahl im Prinzip mit einem Winkel von ebenfalls 15 Grad auf das senkrecht stehende Solarmodul geleitet. Dadurch erhöht sich dessen Energieleistung bei dem morgens, abends, sowie bei leicht bedecktem Himmel, generell aber auch in den dunkleren Jahreszeiten bei tiefer stehender Sonne (12), häufiger anfallendem Schwachlicht.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung mehrerer Solarmodule diese parallel geschaltet und zur Vermeidung des Stromrückflusses in die jeweils beschatteten Module, mit geeigneten Sperrdioden ausgestattet sind.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der sich nach dem Wind drehenden Schwimmbasis im Bogen oder rundum aufgestellten Solarmodule keiner aufwendigen Nachführung bedürfen. Diese bei einer Netzeinspeisung nutzbaren Spitzenleistungen wirken hier kontraproduktiv, da hier nicht die Spitzenleistung, sondern in Anpassung an die jeweilige Motorleistung eine möglichst lange, über Tag und Jahr währende Laufzeit erwünscht ist
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass hierbei zwecks einer besseren Nutzung von Schwachlicht, Streulicht oder Schräglicht usw., vorzugsweise Dünnschicht- oder ähnliche (amorphe) Module verwendet werden.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass infolge leistungsmäßiger Anpassung der Solarmodule an den jeweiligen DC-Motor dieser direkt, also ohne Zwischenspeicherung auf Akkus, betrieben werden kann.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass bei photovoltaischem Betrieb die unter den Ansprüchen 4 und 6 bereits erwähnte Eisfreihaltung eine zusätzliche Absicherung durch Wärme- oder Heizeinrichtungen (7) erfahren kann. Hierbei kann mittels elektrischer Schaltung vorsorglich sogen. Überstrom genutzt werden. Dieser kann infolge eines Gerätestillstandes bei starkem Frost anfallen, wenn trotz schützender Maßnahmen die Lüfterturbine blockiert ist, während zugleich wieder eintretender Sonnenschein den DC-Motor unter Strom setzt.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Verankerung (13–15) nur an einer Seite der Schwimmbasis erfolgt. Diese Seite wird bei aufkommenden Wind zwangsläufig zur Luf-Seite.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerung an nur einer Seite der Schwimmbasis den Windkräften entgegen wirkt und dadurch ein Kentern infolge seitlicher Windböen weitgehend ausgeschlossen werden kann.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerung mittels Kette, Drahtseil o. ä. zur Verhinderung von Überdrehungen mit einen Kettenwirbel (15) ausgestattet ist.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–19, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtlänge des Verankerungsmaterials nach dem höchstmöglichen Wasserstand zu bemessen ist, damit sich die Schwimmbasis bei steigendem bzw. verändertem Wasserspiegel (8) diesem stets anpassen kann.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–20, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lee-Seite der Schwimmbasis seitlich Windleitbleche (16) angebracht werden können, um zusätzlich Richtung stabilisierend zu wirken.
Schwimmender Gewässerbelüfter nach den Ansprüchen 1–21, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Stand der Schwimmbasis in jeweiliger Windrichtung, Vertikalrotore, die zwar im Prinzip bei jeder Windrichtung arbeiten, insbesondere bei Verwendung Leistung steigernden Zusatzausstattungen, wie Leit- und Abschirmblechen, keiner gesonderten Windnachführung bedürfen. Dies wäre jedoch bei starr fixierter Basis erforderlich, sei diese schwimmend oder auf festem Grund.