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Stand der Technik
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Der konventionelle Ansatz zur Errichtung einer Wasserkraftanlage sieht die Errichtung eines Krafthauses vor, in welchem die Turbinen, Generatoren und weitere Baugruppen platziert werden. Hierbei wird das Betriebswasser durch den Einlauftrichter der Turbinen in die Turbine geleitet. Dort wird die im Wasser enthaltene Energie über das Laufrad auf den Generator übertragen und zu elektrischem Strom umgewandelt. Hinter der Turbine schließt sich der Saugschlauch an, durch welchen das Betriebswasser geleitet wird und an dessen Ende es ins Unterwasser austritt.
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Alternativ können Turbinen auch teil- oder vollständig überströmt werden, wodurch auf das Krafthaus verzichtet werden kann. Allerdings müssen die Turbinen dann wasserdicht ausgeführt werden. Bekannt sind hierfür voll überströmbare Rohrturbinen (z. B. Bulb-Turbinen) und Kaplanturbinen mit stehender Welle (z. B. Dive-Turbinen).
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Bei allen Varianten muß eine Schutzvorrichtung, i. d. R. in Form eines vertikalen oder horizontalen Stabrechens, vor dem Einlauf der Turbinen angeordnet werden, um das Einschwimmen von Treibgut und Fischen zu verhindern. Ferner muß eine Ableitung für vom Wasser mitgeführtes Geschiebe (Steine, Geröll, Sand) vorgesehen werden. Diese Maßnahmen sind nur mit entsprechend großem baulichen Aufwand und den damit verbundenen Kosten zu realisieren.
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Es sind voll umströmte Turbinenanordnungen bekannt, welche die Turbine, Generator und Saugschlauch als Einheit im Wasser beweglich, gleichsam schwebend halten (
US4868408A ,
GB2256011A ,
DE29617318U1 ). Hierbei dienen Anker und/oder Schwimmkörper für die Positionierung der Aggregate. Für die Anwendung in Fließgewässern mit Staustufen mit geringen Fallhöhen (< ca. 5 m) eignen sich diese Anwendungen nicht, da sie keinen Staudruck aufrecht erhalten können und aufgrund der geringen Fallhöhe sehr große Abmessungen erforderlich sind, um die benötigte Betriebswassermenge durch die Maschinen leiten und nennenswerte Energiemengen erzeugen zu können. Die Durchmesser der Aggregate wären dann u. U. größer, als die vorhandene Wassertiefe. Eine Höhenverstellung oder gar ein Schweben im Gewässer erübrigte sich damit.
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Schließlich treten durch das durchströmende Wasser und die Rotationsbewegungen in der Turbine immer Schwingungen auf, welche im Dauerbetrieb zerstörerisch auf die gesamte Konstruktion wirken können. Schwingungen können über Schwimmkörper und Anker nur sehr eingeschränkt aufgenommen werden. Entweder müssen feste Verankerungen in einem Bauwerk (vorzugsweise Stahlbetonbau) vorgesehen werden oder die Turbinen-Generator-Saugschlauch-Einheit wird in sich so stabil ausgeführt, dass sie durch die Schwingungen nicht beeinträchtigt werden kann. Dies führt wiederum zu sehr schweren und großen Konstruktionen.
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Bewegliches Krafthaus
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Es ist eine Turbinenanordnung bekannt, welche aus einem beweglichen Krafthaus besteht und sowohl über- als auch unterströmbar ist (
DE 101 17552 C1 ). Das bewegliche Krafthaus beinhaltet alle wichtigen Anlagenbaugruppen, wie Rechen, Einlauftrichter vor der Turbine, Turbine mit Generator und Laufrad und Saugschlauch als kompakte Einheit. Dabei ist das Krafthaus im vorderen Bereich drehbar gelagert und mit seinem Ende (Ende des Saugschlauches) in der Höhe verstellbar. So kann durch Absenken des hinteren Endes des Krafthauses der unterspülte Bereich verschlossen werden, um Wasserverlust zu vermeiden. Erst wenn Treibgut nach unten weggespült werden muß oder wenn mehr Betriebswasser zur Verfügung steht, als durch die Turbine abgearbeitet werden kann, wird das Krafthaus wieder angehoben und ermöglicht so die Unterspülung. Ein großer Vorteil dieser Turbinenanordnung gegenüber konventionell fest eingebauten Turbinen ist, daß mitgeführtes Geschiebe unter dem Krafthaus problemlos ins Unterwasser abgeführt werden kann. Ferner kann bei angehobenem Krafthaus der Bereich darunter als zusätzliche Hochwasserentlastung freigegeben werden.
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Aus ökologischer Sicht noch wichtiger ist aber der mit dieser Anordnung erzielte Vorteil für den Schutz von Fischen. Unmittelbar vor dem Turbineneinlauf ist ein Halbrundrechen angeordnet, welcher mittels einer Reinigungsschiene nach oben und unten gereinigt wird. Die Stababstände zwischen den gebogenen Rechenstäben entsprechen denen bei vertikalen oder horizontalen Stabrechen und orientieren sich an den gesetzlichen Vorgaben. Durch die gebogene Ausführung der Rechenstäbe wird die nutzbare Rechenfläche vergleichsweise groß, wodurch die Anströmgeschwindigkeit des einströmenden Wassers gering gehalten werden kann. Entsprechend große Rechenflächen führen bei ebenen Rechenflächen, wie sie herkömmliche vertikale oder horizontale Stabrechen darstellen, zu sehr großen und kostenintensiven Einlaufbauwerken. Außerdem führt die halbrunde Ausführung zu sehr günstigen (sprich: fischfreundlichen) Anströmverhältnissen über dem größten Teil der Rechenfläche.
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Durch ausreichend große Dimensionierung des Bereiches unter der Turbine kann bei angehobenem Krafthaus ein bedeutender Wasserstrom unter der Turbine hindurch erzeugt werden, dessen Fließgeschwindigkeit größer ist, als die des Betriebswassers durch den Rechen. Dadurch wird eine sog. Lockströmung an dem Rechen und der Turbine vorbei erzeugt, so daß Fische, die sich oft an den stärksten Strömungen im Wasser orientieren, mit großer Wahrscheinlichkeit gar nicht mit dem Rechen in Berührung kommen und nicht Gefahr laufen, an den Rechen gedrückt oder gar durch den Rechen in die Turbine gezogen und dort verletzt zu werden. Insbesondere Aale gelten als die am meisten von Wasserkraftanlagen gefährdete Fischart. Da deren Bewegungsverhalten durch bodennahes Wandern gekennzeichnet ist, profitiert der Schutz der Aale ganz besonders von dieser Anordnung.
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Bei nennenswerten Abflüssen unter dem Krafthaus, die in der Größenordnung des abgearbeiteten Betriebswassers durch die Turbine liegen, entsteht eine weitere positive Wirkung dadurch, daß das Wasser unter der Turbine deutlich schneller abfließt und am Ende des Saugschlauches Turbinenwasser mit sich reißt. So entsteht ein Saugeffekt, welcher die Fallhöhe bei hohen Abflüssen etwas vergrößern und damit die Stromausbeute verbessern kann. Dies ist bei den inzwischen errichteten beweglichen Krafthäusern in Deutschland beobachtet und meßtechnisch erfasst worden. Der Mehrertrag bei großen Unterspül-Wassermengen kann demnach bis zu 30% betragen.
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Nachteile des beweglichen Krafthauses ergeben sich aus der Konstruktion: Um das Krafthaus ausreichend verwindungssteif zu gestalten, muß die Konstruktion sehr stabil ausgeführt werden. Dies führt zu erheblichen Gewichten der Anlage, welche wiederum beim Einbau entsprechend großer Hebe- und Transportvorrichtungen bedürfen. Je nach erforderlicher Größe des beweglichen Krafthauses kann eine eingeschränkte Zugänglichkeit auf der Baustelle für Kräne und Schwerlast-Transporter den Einsatz dieser Technologie deutlich erschweren oder gar vollständig vereiteln.
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Außerdem gehen die kompakte Bauweise und das hohe Gewicht mit sehr hohen Kosten für diese Konstruktion einher. Auch die hohe Präzision bei der Errichtung des Turbinentroges aus Beton, die nötig ist, um das Schwenken des Krafthauses über mehrere Höhenmeter zu gewährleisten, führt zu Kostensteigerungen.
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Schließlich ergibt sich für einen potentiellen Bauherren das unternehmerische Risiko, daß diese Bauart nur von einem einzigen Hersteller angeboten wird.
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Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die erwähnten positiven Wirkungen des beweglichen Krafthauses zu erhalten und die mit dieser Bauart verbundenen Nachteile zu reduzieren und vor allem die Kosten für die Nutzung der Wasserkraft an zu verringern.
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Erfindungsgemäß werden hierzu bekannte und weithin erprobte Baugruppen so angeordnet, daß eine herkömmliche, voll überströmbare Rohrturbine fest einbetoniert und von einer wasserführenden Öffnung unter der Turbine unterspült wird. Diese Unterfluröffnung wird so dimensioniert, daß auch grobes Treibzeug wie Baumstämme und Äste sowie vor allem Geschiebe wie Sand und Steine bis hin zu Felsbrocken durch sie ins Unterwasser abgeführt werden können. In der Unterfluröffnung ist eine Verschlußvorrichtung angeordnet, um den Wasserdurchfluß zu regulieren. Vor dem Einlauf der Rohrturbine wird ein Halbrundrechen platziert, so daß dieser nach oben und nach unten gereinigt werden kann. Über der Turbine kommt eine weitere Verschlußvorrichtung zum Einsatz für die Abfuhr des nach oben geschobenen Rechengutes.
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Damit werden alle Vorteile erzielt, wie sie auch mit dem Einsatz eines beweglichen Krafthauses verbunden sind:
- – problemloses Abführung von Treibgut und Geschiebe ins Unterwasser,
- – zusätzliche Hochwasserentlastung durch Freigeben der Öffnung unter der Turbine,
- – Verwendung eines Halbrundrechens, dadurch vergleichsweise große Rechenflächen und geringe Anströmgeschwindigkeiten bei kompakten Einlaufbauwerken möglich,
- – hohe Fischverträglichkeit durch
– Unterspülung des Kraftwerkes und starke Lockströmung am Rechen vorbei und
– großflächige Durchgangsmöglichkeit für sohlnah abwandernde Fische (z. B. Aale),
- – größere Unterflur-Wassermengen sorgen für zusätzliche Energieerzeugung durch Saugeffekt am Ende des Saugschlauches,
- – Kostenersparnis durch
– Wegfall eines separaten Rechenbauwerkes mit Spülrinne bzw. Bypaß,
– Wegfall zusätzlicher Baumaßnahmen für die Abführung des Geschiebes (z. B. Sohlwand mit Spülklappe),
– kleinere, kompaktere Ausführung des Einlaufgerinnes,
- – sicherer, wartungsarmer Betrieb der Anlage.
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Dem gegenüber werden die Nachteile des beweglichen Krafthauses vermieden durch:
- – Einsatz von vielfach eingesetzten und erprobten Bauteilen und Baugruppen,
- – durch feste Montage der Turbinen und Saugschläuche in Beton können Schwingungen sicher aufgenommen werden und keine schädlichen Wirkungen entfalten,
- – Gewichte und Einbauerfordernisse halten sich im üblichen Rahmen für Wasserkraftanlagen (keine überschweren Baugruppen),
- – Kostenersparnis durch die Verwendung von üblichen Baugruppen (herkömmliche, überströmbare Rohrturbinen, Stauklappen, Halbrundrechen) und üblichem Transport- und Hebezeug,
- – Kostenersparnis durch größere Maßtolleranzen in der Bauausführung als beim beweglichen Krafthaus,
- – günstige Zuliefersituation, da keine Exklusiv-Bauteile erforderlich sind, die nur von wenigen Herstellern angeboten werden.
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Liste der Abbildungen
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Bezugszeichenliste
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- Öffnung unter Turbine und Saugschlauch
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- Verschlußvorrichtung für Öffnung unter Turbine
- 12
- Verschlußvorrichtung über Turbine
- 2
- Turbinenbaueinheit
- 20
- Turbine
- 21
- Halbrund-Rechen
- 22
- Einlauftrichter
- 23
- Generator
- 24
- Saugschlauch
- 30
- Betriebswasser (durch die Turbine strömend)
- 31
- Unterspül-Wasser (unter Turbinebaueinheit)
- 40
- Beton
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Kurzbeschreibung für unterspülte Wasserkraftanlage:
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In einem Wasserkraftwerk zur Erzeugung von elektrischem Strom wird eine Turbinenbaueinheit (2), die alle erforderlichen Baugruppen, wie Turbine (20) Einlauftrichter (22) Generator (23) und Saugschlauch (24) aufweist, so angeordnet, daß unter der Turbinenbaueinheit (2) eine Öffnung (10) entsteht, die groß genug ist, um Treibgut und grobes Geschiebe sicher ins Unterwasser abzuführen. Der Einbau dieser Turbinenbaueinheit (2) geschieht, wie bei herkömmlichen Kraftwerken bekannt, durch Vergießen mit Beton (40). Diese Einbauweise gewährleistet einen sicheren und dauerhaften Betrieb aller Baugruppen.
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Unmittelbar vor der Turbine (20) wird ein Halbrund-Rechen (21) angeordnet, der nach oben und unten gereinigt werden kann und das Einschwimmen von Treibgut und Fischen in die Turbine (20) verhindert. Zum Verschließen der Öffnung (10) wird in dieser eine Verschlußvorrichtung (11) angeordnet (1). Soll Treibgut oder Geschiebe ins Unterwasser abgeführt werden, so wird die Verschlußvorrichtung (11) teilweise oder ganz geöffnet.
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Auch zum besonderen Schutz von abwanderungswilligen Fischen kann die Verschlußvorrichtung (11) geöffnet werden. Beispielsweise wird bei Wasserkraftanlagen immer wieder verlangt, dem Aal als besonders gefährdeter Fischart im Herbst eine Möglichkeit zur bodennahen Abwanderung an der Turbine vorbei zu geben. Gegebenfalls sollen hierfür Turbinen in der betreffenden Zeit sogar abgeschaltet werden.
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Weiterhin ist denkbar, dass die Öffnung (10) zur Ableitung von Unterspül-Wasser (31) unter der Turbinenbaueinheit (2) nicht auf ganzer Länge der Turbinenbaueinheit (2) ausgeführt, sondern seitlich heraus geführt wird. Dadurch befindet sich die Öffnung (10) nur teilweise unter der Turbinenbaueinheit (2).
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Baugruppen werden der Bauaufwand und die Baukosten insgesamt im Rahmen von herkömmlichen, nicht unterspülten Wasserkraftanlagen gehalten. Gegenüber der herkömmlichen Bauart weist die Unterspülung aber zahlreiche Vorteile auf:
- – Geschiebe und grobes Treibgut kann problemloses durch die Öffnung (10) ins Unterwasser abgeführt werden.
- – Durch Verwendung eines Halbrundrechens (21) kann auf vergleichsweise kleinem Raum eine große Rechenflächen hergestellt werden, welche zu geringen Anströmgeschwindigkeiten durch den Rechen führt. Dies zieht geringe Strömungsverluste am Rechen (21) und geringe Andruckkräfte für Fische nach sich. Die Verletzungsgefahr für Fische sinkt dadurch deutlich.
- – Die hohe Fischverträglichkeit wird durch die Unterspülung des Kraftwerkes zusätzlich verbessert, weil durch die Öffnung (10) abgeleitetes Unterspül-Wasser (31) eine starke Lockströmung am Rechen (21) vorbei erzeugt wird und zusätzlich ein großflächiger Durchgang für sohlnah abwandernde Fische (z. B. Aale) ermöglicht wird.
- – Stehen Wassermengen (31) über die von der Turbine (20) abgeführte Betriebswassermenge (30) hinaus für die Ableitung durch die Öffnung (10) bereit, so ergibt sich ein Saugeffekt am Ende des Saugschlauches (24) für das durch die Turbine (20) geleitete Betriebswasser (30). Dieser führt durch Absenken des Wasserspiegels unmittelbar hinter dem Saugschlauch (24) zu einer größeren nutzbaren Fallhöhe und damit zu einer höheren Stromerzeugung.
- – Durch den Wegfall eines separaten Rechenbauwerkes mit Spülrinne bzw. Bypaß und den Wegfall zusätzlicher Baumaßnahmen für die Abführung des Geschiebes (z. B. Sohlwand mit Spülklappe) kann gegenüber einem Wasserkraftwerk ohne Unterspülung eine beträchtliche Kostenersparnis erzielt werden. Schließlich kann das gesamte Einlaufgerinne des Wasserkraftwerkes kleiner und kompakter ausgeführt werden, was wiederum die Baukosten und den Flächenbedarf reduziert.
- – Da auch grobes Treibgut und große Geschiebeblöcke zuverlässig ins Unterwasser abgeleitet werden können, ist ein sicherer und wartungsarmer Betrieb der Anlage gewährleistet.
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Diese Vorzüge wurden bereits durch mehrere Wasserkraftanlagen mit beweglichem Krafthaus, die in Deutschland errichtet wurden, bestätigt. Gegenüber dem beweglichen Krafthaus hat die erfindungsgemäße Anordnung aber weitere, bedeutende Vorteile:
- – Die Verwendung (handels-)üblicher Einzelbaugruppen für die Turbinenbaueinheit (2), wie Turbine (20) mit Rechen (21), Einlauftrichter (22), Generator (23) und für die Verschlußvorrichtungen (11 und 12) und deren feste, bestimmungsgemäße Verankerung mit dem Betonbauwerk führt, verglichen mit dem beweglichen Krafthaus, zu geringeren Kosten bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit und Nutzung aller mit dem beweglichen Krafthaus verbundenen Vorteile.
- – Der Einbau von üblichen Baugruppen, wie herkömmliche, überströmbare Rohrturbinen (20), Verschlußvorrichtungen (11 und 12), Halbrundrechen (21) erfordert nur übliche Transport- und Hebezeuge, da die Einbaugewichte der Baugruppen sich im üblichen Rahmen für Wasserkraftanlagen ohne Unterströmung halten. So beträgt das Gewicht einer Standard-Bulbturbine mit einem Laufraddurchmesser von ca. 2,00 bis 2,30 m zwischen 30 und 40 t, während es bei einem beweglichen Krafthaus mit einen vergleichbaren Turbinenaggregat zwischen 130 bis 145 t liegt. Außerdem müssen keine außergewöhnlichen Vorkehrungen auf der Baustelle getroffen werden (z. B. besondere Stabilisierung der Kranstellflächen und Zuwegungen für überschwere Hebezeuge und Baugruppen). Beides führt zu weiteren Kostenersparnissen gegenüber einem beweglichen Krafthaus mit vergleichbarer Leistung.
- – Der Montageaufwand ist vergleichbar mit nicht unterströmten Wasserkraftwerken, aber deutlich einfacher und geringer als beim einzigen bisher bekannten und realisierten unterströmten Wasserkraftwerktyp mit beweglichem Krafthaus, da nicht so geringe Maßtolleranzen für den Betonbau erreicht werden müssen.
- – Weil keine Exklusiv-Bauteile erforderlich sind, die bisher nur von einem Hersteller angeboten werden, entstehen auch keine Abhängigkeiten für Bauherren, da bei allen Baugruppen unter zahlreichen Anbietern ausgewählt werden kann.
- – Schwingungen können vom Betonbauwerk sicher aufgenommen werden und entwickeln so keine schädlichen Folgen.
- – Wenn es die örtlichen Gegebenheiten erfordern, kann die Öffnung (10) statt parallel zur Turbinenbaueinheit (2) auch seitlich heraus geführt werden. Dadurch geht zwar die Möglichkeit verloren, den Saugeffekt am Ende des Saugschlauches (24) und die damit verbundene höhere Energieausbeute zu erzeugen, aber alle anderen Vorteile bleiben weiterhin bestehen.
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Geringe Fallhöhen werden wirtschaftlich nutzbar bei geringst möglichen nachteiligen Umweltauswirkungen. Die Erfindung ist fast überall einsetzbar, wo ein Wasserkraftwerk neu gebaut oder komplett überholt werden soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4868408 A [0004]
- GB 2256011 A [0004]
- DE 29617318 U1 [0004]
- DE 10117552 C1 [0006]
