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Die Erfindung betrifft allgemein Anlagen und Geräte zur Belüftung von Gewässern.
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Speziell geht es um ein auf einem Träger (5) unmittelmittelbar in einem Gewässer positionierte Vorrichtung mit einer nach dem Luftheberprinzip arbeitenden Strömungspumpe (4), wobei die dafür erforderliche Luftpumpe (3) über eine durch Sonnenstrahlung gespeiste elektrischen Energiequelle versorgt wird.
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Der natürliche Eintrag von Sauerstoff in ein Gewässer erfolgt einerseits an der Wasseroberfläche durch Diffusion aus der Luft und andererseits durch Photosynthese der Wasserpflanzen. Die Löslichkeit von Sauerstoff im Wasser nimmt mit steigender Temperatur ab.
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Der im Wasser in unterschiedlicher Menge gelöste Sauerstoff beeinflusst wesentlich die Menge und die Art der Organismen in einem Gewässer.
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Fische benötigen aus der Umgebung Sauerstoff um zu atmen. Sauerstoff ist im Wasser physikalisch gelöst und von den Fischen über die Kiemen aufgenommen. Der Sauerstoffbedarf der einzelnen Fischarten ist sehr unterschiedlich, er und hängt neben der Temperatur des Wasser von vielen anderen Faktoren wie beispielsweise von der Besatzdichte, der Stoffwechselaktivität und vom Stückgewicht, also der Größe der Fische, ab.
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In Fischzuchtgewässern ist die Biomasse an Fischen, Pflanzen und Mikroorganismen wesentlich größer im Vergleich zu natürlichen Gewässern. Das führt dazu, dass der Verbrauch an Sauerstoff manchmal die Menge an Sauerstoff übersteigt, die Gewässer erzeugt oder eingetragen wird.
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So beeinflusst beispielsweise in konventionellen Karpfenteichen mit stehendem Wasser und einer geringen Wassertiefe von ca. 1 m vor allem die Biomasse an Phytoplankton den Gang des Sauerstoffgehaltes durch Sauerstofferzeugung (Assimilation) und Sauerstoffverbrauch (Dissimilation). Das führt zu stark lichtabhängigen Schwankungen des Sauerstoffgehaltes im Tagesverlauf.
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Tagsüber lässt die Sonneneinstrahlung das Wasser zirkulieren, und Sauerstoff wird teilweise bis über die Luftsauerstoffsättigungswerte hinaus erzeugt. Nachts kehrt sich dies um, wodurch der niedrigste Sauerstoffgehalt typischerweise in den Morgenstunden vor und nach dem Sonnenaufgang auftritt.
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Hier wird durch künstliche Belüftung gewährleistet, dass der zum Überleben des Fischbestandes erforderliche Sauerstoffgehalt nicht unterschritten wird.
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Beim Stand der Technik sind Belüftungsgeräte wie beispielweise schwimmende Schaufelradbelüfter und nach dem Injektorprinzip arbeitende Wasserumwälzer mit Luftverwirbelung (Quelle: Linn Gerätebau GmbH;
https://www.linn.eu/de/) oder das Wasser auswerfende Oberflächenbelüfter bekannt. (
DE000009100121 ; [DE] Schwimmender Wasserbelüfter).
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Der Umwälzwirkungsgrad beispielsweise der nach dem Injektorprinzip arbeitenden Wasserumwälzer mit Luftverwirbelung liegt typischerweise bei ca. 0,17 m3/(h·W_Aufnahmeleistung)
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Da diese Belüfter mehr oder weniger direkt das Wasser bewegen, haben sie bei einer Betriebsspannung von 230 V~ bzw. 380 V~ eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens ca. 250 W. Daher benötigen sie üblicherweise einen Anschluss an das Stromnetz.
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Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass bei Einsatz dieser Geräte die Belüftung tagsüber bei entsprechender Sonneneinstrahlung einer ausschließlichen Belüftung während der Nachtstunden vorzuziehen ist. Durch die Umwälzung wird nämlich sauerstoffüberreiches Wasser mit den sauerstoffarmen, tiefer liegenden Wasserschichten vermischt. Somit hat eine tagsüber erfolgende Belüftung eine positive Auswirkung auf den Sauerstoffgehalt im gesamten Teichgewässer und auf den Sauerstoffgehalt während des gesamten Tages, einschließlich der kritischen Nachtstunden. (Quelle: „Der Sauerstoffgehalt in Karpfenteichen bei verschiedenen Belüftungsstrategien"; Bayerische LfL Fischerei 2015; S. Salomon, Prof. Dr. Dr. B. Ehrmaier, Dr. M. Oberle)
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Bei Gewässern ohne Netzanschluss werden für den zeitweisen Betrieb alternativ mobile Aggregate zur Stromerzeugung verwendet. Diese allerdings müssen nachgetankt und gewartet werden.
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Für die intensive und kurzzeitige Belüftung von netzfernen Gewässern werden traditionell in Notfällen häufig auch Schaufelradbelüfter eingesetzt, die über eine an Land über einen Lagerbock abgestützte Welle durch die Arbeitswelle eines Traktors oder dergleichen angetrieben werden. (Quelle: Craig Trucker; September 2005; Pond Aeration; SRAC Publication No. 3700)
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Netzunabhängig wird elektrische Energie mittels an Land auf einen Träger montierter Photovoltaik-Module erzeugt und diese dann in einer Batterie gespeichert. Über eine Steuergerät wird ein durch die Batterie versorgter Verdichter ein- und ausgeschaltet. Die so verdichtete Luft gelangt über beschwerte Schlauchleitungen zu den sich am Boden des Gewässers befindenden Druckbelüftern. Während die aus den Belüftern austretenden feinen Gasblasen zur Oberfläche aufsteigen, mischt sich der darin enthaltene Sauerstoff mit dem Wasser. Die höchste Wirksamkeit wird bei dieser Art der Belüftung daher vor allem bei tieferen Gewässern erreicht. (
US2002104807A1 ).
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Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine vom Stromnetz unabhängige Vorrichtung zu schaffen, mit der bei relativ flachen Gewässern mit einer Tiefe von beispielsweise ca. 0,8...1,5 m das Wasser insbesondere tagsüber bei entsprechender Sonneneinstrahlung mit möglichst geringem Energieeinsatz durchgehend oder zu bestimmten Zeiten in großen Mengen umgewälzt, dadurch die Wasserschichten durchmischt und so das Gewässer insgesamt mit Sauerstoff angereichert wird. Gewässer, ob künstliche oder natürliche, sind dabei beispielsweise landschaftsgebundene Seen, Fischteiche, Angelseen und dergleichen.
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Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Mit der Erfindung wird erreicht, dass ein Gewässer durch eine über eine Photovoltaik-Energiequelle netzunabhängig mit Energie versorgte Vorrichtung tagsüber schon umgewälzt und so mit Sauerstoff angereichert wird, dass der Fischbestand bei dem vor allem in der Zeit vor Sonnenaufgang auftretenden akuten Sauerstoffmangel überlebt. Der Umwälzwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dabei bis zu 1 m3/(h·W_Aufnahmeleistung) betragen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den auf Schutzanspruch 1 folgenden Schutzansprüchen dargestellt.
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Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachstehenden Erläuterungen und den in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In einem Blockschaltbild ist dargestellt, wie die einzelnen Elemente der Vorrichtung miteinander verbunden sein können
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Es zeigen:
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1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwälzung und Belüftung von Gewässern, wobei alle zu der Vorrichtung gehörenden Baugruppen und Komponenten auf einem Schwimmkörper als Träger (5) montiert sind, der mit Hilfe von Erdankern und Befestigungsseile auf einer Position gehalten und gegenüber der Sonne fest ausgerichtet wird.
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2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwälzung und Belüftung von Gewässern, wobei die Strömungspumpe (4) an einem Träger (5) befestigt ist, der wiederum auf dem Grund des Gewässers steht. Alle anderen zu der Vorrichtung gehörenden Baugruppen und Komponenten sind auf einem Mast als Träger (5) montiert. Die Luftpumpe (3) ist über einen Schlauch mit der Strömungspumpe (4) verbunden.
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3 beispielhaft ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umwälzung und Belüftung von Gewässern.
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Die Zeichnung 1 zeigt beispielhaft den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die nach dem Luftheber-Prinzip arbeitende Strömungspumpe (4) ist an einem innerhalb der Uferbegrenzung auf dem Gewässer schwimmenden Träger (5) befestigt.
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Die zu der elektrischen Energiequelle (1) der Vorrichtung gehörenden Photovoltaik-Module sind mittels einer Halterung auf dem schwimmfähigen Träger (5) befestigt mit einem bestimmten Anstellwinkel auf den je nach Region und Jahreszeit vorherrschenden Sonnenstand fest ausgerichtet. Die Ausrichtung der Photovoltaik-Module in Richtung der Sonne erfolgt, indem der schwimmfähige Träger (5) gedreht und in der gewünschten Position befestigt wird.
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Alternativ können die Photovoltaik-Module über einen mindestens einachsigen Tracker dem aktuellen Sonnenstand in Himmelsrichtung und/oder Anstellwinkel automatisch nachgeführt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der elektrischen Energiequelle (1) und damit die während eines Tages erzeugte elektrische Leistung erhöht.
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Auch auf dem schwimmenden Träger (5) befestigt und einem gegen Umgebungseinflüsse schützenden Gehäuse untergebracht sind die restlichen Teile der elektrischen Energiequelle (1) und die Luftpumpe (3).
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Die elektrische Energiequelle (1) besteht im wesentlichen aus mindestens einem Photovoltaik-Modul und einem Ladegerät (10), sowie den elektrischen Verbindungen und den Befestigungselementen. In die elektrische Energiequelle (1) integriert sein können ein Hauptschalter (13), ein Strom-Spannungs-Wandler (8), ein Steuergerät (7), einschließlich der dazugehörigen Sensoren (6), und ein Relais (9) zum Ein- und Ausschalten der Luftpumpe (3) sowie optional auch ein aufladbarer Akkumulator als elektrochemischem Energiespeicher (2).
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Über den Hauptschalter (13) können die elektrischen Verbraucher ((3), (7), (9)) der Vorrichtung bei deren Installation, bei einer Reparatur oder im Notfall spannungsfrei geschaltet werden.
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Die Anzahl und Generatorleistung der Photovoltaik-Module richtet sich, optimale Ausrichtung oder automatische Nachführung durch einen Tracker vorausgesetzt, nach der Leistungsaufnahme der elektrischen Verbraucher ((3), (7), (9)), der am jeweiligen Standort zur Verfügung stehenden Sonnenenergie, dem Wirkungsgrad des Photovoltaik-Moduls und dem elektrischen Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung.
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Die Ausgangsspannung des Ladegerätes (10) kann gegebenenfalls über einen Strom-Spannungs-Wandler (8) an die Betriebsspannung der jeweiligen elektrischen Verbraucher ((3), (9), (7)) beispielsweise von 24 V DC auf 12 V DC angepasst werden.
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Geeignete elektrische Sicherungen (11) verhindern die thermische Überlastung des Energiespeichers (2) und der elektrischen Leitungen insbesondere bei elektrischem Kurzschluss.
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Die durch die elektrischen Verbraucher, insbesondere durch die Luftpumpe (3), benötigte elektrische Energie soll mit der in dem Energiespeicher (2) gespeicherten Solar-Energie so abgestimmt sein, dass die für die erforderliche Umwälzung und Belüftung des Gewässers notwendige Betriebsdauer der Vorrichtung gewährleistet und für Tage mit geringerer Sonneneinstrahlung eine Betriebsreserve vorhanden ist.
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Anstatt die durch die elektrische Energiequelle (1) der Vorrichtung erzeugte elektrische Energie zum Betrieb der Luftpumpe (3) in einem elektrochemischen Energiespeichers (Akkumulator) zu Puffern kann alternativ auch die durch die Luftpumpe (3) erzeugte Luft zwischengespeichert werden.
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Der schwimmfähige Träger (5) ist hier beispielhaft als kastenförmiger Hohlkörper aus Kunststoff ausgeführt. Die Anzahl, Form und Größe der schwimmfähigen Träger (5) richtet sich im wesentlichen nach deren Tragfähigkeit, der Masse und Massenverteilung der Komponenten der Umwälzvorrichtung, den Reaktionskräften der jeweils verwendeten Strömungspumpe (4) sowie der oberhalb der Wasserlinie an die Vorrichtung angreifenden Windlast.
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Die schwimmende Vorrichtung wird hier beispielhaft über Befestigungsseile auf dem Gewässer in einer bestimmten Position gehalten und gegenüber der Sonne ausgerichtet.
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Am unteren Ende der Strömungspumpe (4) befindet sich eine Abstützung (14) Diese bewirkt, dass bei niedrigem Wasserstand oder beim Trockenfallen des jeweiligen Gewässers die Vorrichtung dann einen sicheren Stand behält und dass nicht die Strömungspumpe (4) durch das Gewicht der Vorrichtung belastet wird. Außerdem verhindert diese Abstützung (14), dass die elektrischen Komponenten der Vorrichtung mit Wasser in Kontakt kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000009100121 [0010]
- US 2002104807 A1 [0016]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- https://www.linn.eu/de/ [0010]
- „Der Sauerstoffgehalt in Karpfenteichen bei verschiedenen Belüftungsstrategien”; Bayerische LfL Fischerei 2015; S. Salomon, Prof. Dr. Dr. B. Ehrmaier, Dr. M. Oberle [0013]
- Craig Trucker; September 2005; Pond Aeration; SRAC Publication No. 3700 [0015]
