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Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer energie -
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Die Erfindung betrifft eine Vorriohtung zur Erzeugung elektrischer
energie mit einemvon mindestens einem walzenförmigenmit Leitschaufeln versehenen
Wasserrad angetriebenen Generator, wobei das walzenförmig ausgebildete Wasserrad
in einer Führungseinrichtung angeordnet ist.
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Die Ausnutzung der kinetischen Energie von fließenden Gewässern istseit
langem bekannt.Im allgemeinnen wird ein Plußlauf an mehreren Stellen gestaut und
die Fallhöhe der einzelnen Staustufen zum Betreiben der Wasserturbinen von Wasserkraftwerken
ausgenutzt.Darüber hinaus sind Wasserkraftwerke in Verbindung mit Talsperren allgemein
bekannt.
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Abgesehen von derartigen Anlagen , die mit erheblichen Investitionen
verbunden sind, sind darüberhinaus Anlagen bekannt, bei denen ein Wasserrad oder
auch mehrere von eienm strömenden Gewässer angetriFen werden, die ihrerseits mit
einem elektrischen Generator gekuppelt sind.
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Es it bekannt(Dt- PS 814 879, Dt- GM 7425236, PR - PS 648 883 ) in
Strömungsrichtung pontonartige Schwimmer distanziert nebeneinander anzuordnen und
die Wasserräder derart auf ihnen zu befestigen, daß ihre Achsen in einer zur Wasseroberfäche
parallelen Ebene und senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sindund ihre Leitschaufeln
im Bereich ihres unteren Scheitelpunktes vom strömenden wasser angeströmt werden,
d.h. die Achse der Wasserräder ist oberhalb des Wasserspiegels angeordnet.
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Die Schwinger haben die Aufgabe mit sich änderndem Wasser stand die
Wasserräder in In de vorgeesehenden Höhe zum Wassersnieb
gel zu
halten.
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Es ist weiterhin bekannt (DT - OS 24 46 980) Wasserräder mit Au'ftriebskorpernzu
versehen, sodaß sie auf der Wasseroberfläche schwimmend sich drehen,wobei natürlich
eine Haltevorrichtung für das Wasserrad am Ufer vorgesehen sein muß.
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Bs ist weiterhin bekannt (FR -PS 977987 ) ein Wasserrad schnekkenförmig
auszubilden und zwar derart, daß es an dem einen Ende einen größeren Auftrieb hat
als am anderen Ende und das Wasserrad an diesem Ende frei pendelnd sich in der Strbmung
drehen zu lassen ,wobei die Kraftübertragung auf einen Generator mittels einer Riemenscheibe
und Transmissionsriemen erfolgt. Das Wasserrad pendelt hierbei in Strömungsrichtung
unterhalb der Wasseroberfläche.
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Es ist weiterhin bekannt(US -PS 3442492 ) ein Wasserrad in der Weise
auszubiLden, daß zwischen zwei Speichenrädern zwischen jeweils zwei einander zugeordneten
Speichen eine Leitschaufel angelenkt ist. Die Achse des Wasserrades ist senkrecht
zur Strömungsrichtung des fließenden Wassers und senkrecht zum Wasserspiegel ausgerichtet.Durch
diese Anordnung wird eneicht, daß die Anstellung der Schaufeln sich während der
Bewegung des Wasserrades ändert.
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Diese vorbekannten Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie machen
sich alle die Wasserkraft von Binnengewässern zunutze, wobei das Wasserrad auch
als Walze mit schräg zur Walzenachse verlaufenden Leitschaufeln ausgebildet sein
kann ( DT - Pb 882 080, DT- PS 814 879) Es ist weiterhin bekannt, an Steilküsten
mit mehrere etern hoher Brandung Staubecken vorzusehen und mit dem gestauten Wasser
unter Ausnutzung der potentiellen Energie
'siasserturbinen anzutreiben.
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Bei all diesen vorbekannten Wasserturbinen und Wasserrädern ist die
Anordnung so getroffen, daß die Leitschaufeln jeweils mit ihrer ganzen Länge von
dem Wasser beaufschiet werden und zwar gleichmäßig d.h.,daß diese Beaufschlagung
kontinuierlich erfolgt.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die kinetische Energie der
an Meeresküsten von See her einlaufenden Wellen(Brandungswellen ) zum Antreiben
von Wasserrädern zu benutzen und geht zu diesem Zwecke von Vorrichtungen der eingangs
erwähnt-en Art aus.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geLöst, daß die Achse des
in See im Küstenbereich anzuordnenden walzenförmig ausgebildeten Wasserrades mit
den einlaufenden Wellenzügen einen Winkel kleiner 9o Grad einschließt, die Länge
des walzenförmig ausgebildeten Wasserrades mindestens gleich der Projektion des
Abstandes zweier Wellenzüge in Achsenrichtung ist und daß das walzenförmig ausgebildete
Wasserrad in einer derartigen Höhe angeordnet ist, daß die Leitschaufeln von den
von See her in Richtung zur Küste einlaufenden Wellen angeströmt werden.
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Erfindungsgemäß werden völlig neue Wege zum Betreiben von walzenförmig
ausgebildeten Wasserrädern beschritten.Durch die schräge Anordnung zu den Wellenzügen
und eine von dieser Anordnung abhängige Länge , die durchaus z.B. 100 m erreichen
kann, wird erreicht, daß integral gesehen eine gleichmäßiges Anströmen erfolgt,
d.h. keine "Schläge" an den Leitschaufeln und damit am Wasserrad auftreten, die
abgesehen von den unwünschten me-chanischen Beanspruchungen, zum ungleichmäßigen
Antrieb
des Generators und damit zu einer schwankenden elek- U trischen Spannung führen
würde.
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Weiterhin macht sich die Erfindung zunutze, daß sich die einlaufenden
Wellen landeinwärts gewissermaßen totlaufen infolge de Reibung mit dem Strand, sodaß
das zurückströmende Wasser gewissermaßen einen geringeren Spiegel bzw Höhe hat.Indem
das Wasserrad hinreichend Ihoeh"angeordnet wird,wird dafür Sorge getragen ,daß es
von dem zurückströmenden Wasser nicht angeströmt wird, sodaß auf das Wasserrad von
den einlaufenden Wellen und dem zurückströmenden Wasser keine gegensinnigen Kräfte
ausgeübt werdenzl.h.es ist außerhalb der Rückführung.
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Erfindungsgemäß wird ein gleichmäßiger Generatobetrieb geschaffenrohne
daß mit den Brandungswellen zunächst ein Stausee vorzusehen ist. Durch die erfindungsgemäßen
Maßnahmen erden demnach völlig neue,vom bisherigen Stand der Technik völlig abweichende
Wege gegangen.
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in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindang sind die Leitschaufeln
in teleskopartig von der Nabe des walzenförmig ausgebildeten Wasserrades ausgehenden
Profilen geführt.Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß eine schnelle Anpassung
an den sich ändernden Wellengang erfolgen kann.
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vrfindungsgemäß kann hierbei die Verstbllung der Leitschaufeln hydraulisch
erfolgen,wobei in vorteilhafter Weiterführung die jeweils auf einem Durchmesser
zueinander gegenüberliegend angeordneten Xeitschaufeln innerhalb der Profile ein
gemeinsames Rückstellelement haben , das in besonders einfacher Weise erfindungsgemäß
eine Feder ist.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist oberhalb des
Wasserspiegels einskeilförmige , mit der Keilspitze seewärts zeigende Windleiteinrichtung
angeordnet, deren oberer, Schenkel in den Bereich des oberen Scheitelpunktes der
Leitschaufeln sich erstreckt und deren unterer Schenkel in eine Richtung zwischen
der Achse des Wasserrades und dem unteren Scheitelpunkt der Leitschaufeln gerichtet
ist und in einer Höhe oberhalb der höcheten Wellen endet.
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ln einer vorteilhaften Weiterführung ist erfindungsgemäß landeinwärts
ein weiteres , im Querschnitt kreissegmentartig ausgebildetes Windleitblech angeordnet
und wird von der seewärts zeigenden Windleiteinrichtung in seiner oberen Rand zone
übergriffen.
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Durch diese zinrichtung und das Windleitblech wird erreicht, Jaß je
nach ihrer Stellung die Iandwärts bzw. seewärts gerichteten Windströmungen additiv
zu den Wellen an den Leitschaufeln angreifen bzw bei ungünstigen Verhältnissen 80
abgeleitet werden, daß sie überhaupt nicht mit den Leitschaufeln in Kontakt treten.
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In vorteilhafter Weise hat as weitere Windleitblech an seiner unteren
Kante einen Schwimmer,der dafür sorgt,daß diesWindleitblech die Wellenbewegungen
mitmachen kann, sodaß eine optimale Abschirmung sich ergibt.
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Zur Anpassung an unterschiedliche Wasserstände bei Ebbe und Flut sind
in vorteilhafter Weise die Wellenenden des walzenförmig ausgebildeten Wasserrades
in Lagerböcken angeordnet, und die Lagerböcke gemeinsam über Spindelantriebe verstellbar.
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Da das walzenförmig ausgebildete Wasserrad eine große Länge haben
soll, ist in einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung seine Welle mehrfach
gelagert wobei die zugeordneten Lagerböcke in Gleitführungen geführt sind.
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Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand von AusfAhrungsbeispielen
in der eichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig.1 in Vereinfachter Darstellung und perspektivischer
Ansicht die erfindungsgemäße Anordnung eines walzenförmig ausgebildeten Wasserrades;
Fig.2 eine Stirnansicht auf das Wasserrad in Fig.1; Fig.3 eine Verstelleinrichtung
mit Spindelantrieb; Fig.4aeine mehrfache Lagerung des Wasserrades Fig.4b eine Ausbildung
der Gleitführung; Fig. 5adie Verstellung der Leitschaufeln in radialer Richbis Fig5d
tung; Fig 6a -6c jeweils eine Ausführungsform der Windleiteinrichtung bzw. des Windleitbleches.
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Fig.7 ein Ausführungsbeispiel eines walzenförmigen Wasserrades Fig
das Ausführungsbeispiels einer Brandungsführungsfläche Sig9 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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In Fig . 1 sind mit 1 und 2 die Lagerböcke für die welzenförmige Welle
3 des walzenförmig ausgebildeten asserrades bezeicnnet.Auf der Welle 3 sind die
Leitschaufeln 4 angeordnet.
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Die Wellenzüge sind mit 5, 5', 5''.... bezeichnet.Sie bestenen jeweils
aus einzelnen nebeneinander laufenden Wellenbergen, die jedoch der eichen und übersichtlichen
Darstellung wegen nicht dargestellt sind.wischen den einzelnen Wellenzügen sind
Wellentäler Wie aus der Fig. ersichtlich, schließt die
Achse des
walzenförmig ausgebildeten Wasserrad es mit den in Richtung zum Ufer 6 einlaufenden
Wellenzügen einen tinkel kleiner 90 Grpd ein.Außerdem ist die Länge des Wasserrades
so bemessen, daß es in der gezeigten Anordnung zeitlich betrechtet, mindestens immer
von zwei Wellenzügen beaufschlagt wird.Der Wellenzug 5'' erfaßt in Fig.1 das rechte
Wellenende und w-andert gewissermaßen beim Zulaufen auf das Ufer gewisserma en in
Richtung auf das linke Wellenende.Vor dessen Erreichen beginnt vom rechten Wellenende
aus der Wellenzug 5' die zelle entlang, zuwandern usw.Bei diesem " Wandern" werden
die Leitschaufeln beaufschlagt und das walzenförmig ausgebildete Wasserrad wird
in Umdrehung versetzt.Es ist ohne weiteres ersichtlich,daß die Umdrehungsgeschwindigkeit
der Welle umso gleichmäßiger ist,je mehr Wellenzüge zur gleichen Zeit das Wasserrad
entlang wandern.
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Fig. 2 zeigt eine schematische Stirnansicht auf das Wasserrad in ig.l.s
ist ohne weiteres ersichtlich, das die zum Ufer wandernden Wellenzüge in ihrer Höhe
abnehmen , am Ufer sich auslaufen und dann als Unterwasserströmung seewärts den
zurückfließen.Die einlaufen Wellenzüge treffen hierbei auf die jeweils sich unterhalb
der Achse Lefindlichen Leitshaufeln auf.
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Fig.3 zeigt die gleiche Stirnansicht wie Fig.2.hierbei ist nur der
Lagerblock 1 ersichlich.Zur Höhenverstellung des ';asserrades sind Spindeln vorgesehen,
von denen in Fig.3 nur die dem Lagerbock 1 zugeordnete und mit 8 bezeichnete Spindel
zu sehen ist.Sie ist in einem zweiten
Lagerbock 9 gelagert.Das
Wasserrad ist mit seinan Wellenenden jeweils in einem auf den Spindeln geführten
Lagerböcken 10 gelagert, von denen nur der eine sichtbar ist.Zum Verstellen ist
in der Zei-chnung schematisch eine Handhabe 11 dargestellt.
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In der Praxis erfolgt die Verstellung über Motoren.
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In Fig.4a ist ein mehrfach gelagertee Wasserrad dargestellt.
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Zu diesem Zweck sind weitere Lagerböcke 11 vorgesehen, die in Schienen
12 geführt sind, die ihrerseits in Lagern 13 angeordnet sind. Diese Lager 13 sind
mit den Lagerböcken 1,2 und neun im Meeflsboden verankert.
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In 'ifJ,4b ist ein Lagerbock 11 dargestellt.Er hat eine Gleitführung
14, die komplementar zur Schienenführung 15 ausgebildet.Der Lagerbock besteht aus
zwei Teilen 16 und 17, die mit der Welle des Wasserrades verspannt werden und zu
diesem Zweck eine durchgehende Bohrung 18 begrenzen.
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Fig. Sazeigt einen Schnitt senkrecht zur Achse der Welle.
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Die Welle ist aus kreissegmentartigen hohlzylinderförmigen Abschnitten
19 ,die jeweils in bandförmige Profile28 gehen durch Stirnplatten ,die diesemiteinander
verbinden ,zusammengeschweißt.Die Stirnplatten sind nicht dargestellt.
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Die Schenkel 20 und 21 begrenzen Führungen für die Leitschaufeln 4.Je
zweiauf einem Durchmesser einander gegenüberliegend angeordnete Xeitschaufeln haben
als gemeinsames Rückstellement eine Feder 22. Der Innenraum der Welle, der mit 23
bezeichnet ist, kann mit einem hydraulischen Medium beaufschlagt werden, sodaß die
Leitschaufeln radial ausgefahren werden.Bei Druckentlastung werden die Leitschaufeln
radial nach innen gezogen.
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Fig. 5b bis Fig. 5d zeigen andere Verstellmöglichkeiten der Xeitschaufeln.In
Yig, 5b ist konzentrisch zur Welle ein Stellring 24 angeordnet, an den und die Leitschaufeln
.ichwenkarme 25 angelenkt sind. Durch Verdrehen des Stellrings werdendie Schwenkarme
ausgelenkt und verstellen die Schaufeln.Der Übersicht halber ist dies nur für ein
Paar einander gegenüberliegende teitschaufeln dargestellt.
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In Pig.5c ist zur Verstellung eine Spindel 26 angeordnet, die über
jeweils eine Spindelmutter 27 die auf einem Durchmesser einander gegenüberliegenden
Leitschaufeln verstellt.
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Gemäß Fig.5d sind an eine Leitschaufel 28 Schwenkarme 29, 30 angelenktund
diese an den Spindelmuttern 31, 32.Beim Verdrehen der Spindel 33 bewegen sich die
Spindelmuttern gegenläufig und verstellen die Leitschaufel 28.
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In Fig.6a ist schematisch eine keilförmige Windleiteinrichtung dargestellt,
die mit 34 bezeichnet ist und aus den beiden Schenkeln 35, 36 besteht , die im wesentlichen
flache, versteifte Bleche sind.Die Spitze des Keils ist seewärts gerichtet.Die Einrichtung
ist rit nicht dargestellten Trägern verankert.Der Schenkel 35 reicht über den oberen
Scheitelpunkt der teitschaufeln.Der untere Schenkel reicht mit einem Zapfen 37 in
den bogenförmigen Schlitz des kreissegmentartigen Schwenkteils 38, das auf der nicht
dargestellten Achse des walzenförmig ausgebildeten Wasserrades verschwenkbar ist.Auf
beiden Stirnseiten des walzenförmig ausgebildeten Wasserrades ist jeweils ein derartiges
Schwenkteil
angeordnet.Der untere Schenkel hat eine Zahnstange
39, die in dem oberen Schenkel verstellbar geführt ist.
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Die beiden Schwenkteile tragen weiterhin das weitere, in wichtung
zum Ufer zeigende Windleitblech 4o.Es wird an seiner oberen kante von dem Schenkel
35 übergriffenund hat an der unteren kante einen Schwimmer 41, der auf dem Wasser
schwimmt.
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Fig.6a zeigt eine andere Darstellung der t'ig.6a.
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Gemäß Fig.6c hat in einer weiteren Ausgestaltung der untere Schenkel
noch ein ausfahrbares Leitblech ,falls das walzenförmig ausgebildete Wasserrad verstellbare
Leitschaufeln hat.
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Fig.7 zeigt ein weiters Ausführungsbeispiel eines N-alzenförrrig ausgebildeten
Wasserrades.Zwischen jeweils zwei seite schaufeln 44 sind Leitbleche 45 angeordnet,
dieals Stützen dienen und den axialen Schub deran dem Wasserrad entlang wander-nden
Wellenzüge in einen radialen Schub umwandeln.
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Der besseren Übersicht halber sind diese nur für zwei Leitschaufeln
dargestellt.
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Fig 8 zeigt im Ausschnitt einen als Schlitten ausgebildeten Lagerbock
10. In Abwandlung der Fig.4a, 4b ist unterhalb des Schlittens über die Schwenkarme
48 und 49 eine Brandungsführungsfläche5o angelenkt.Die Schwenkarme sind über die
Spindel gegenläufig verstellbar und damit auch die Brandungsführungsfläche.Diese
besteht aus zwei teleskopartig ineinander geführten Teilen .Sie ist unterhalb der
Leitschaufeln angeordnet und führt die Wellenzüge auf die Leitschaufeln, wobei der
spaltförmige Abstand zwischen beiden minimal ist.
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Die J-andungsführungsflåche hat auf der Seite der Leitschaufeln eine
zu diesen komplementäre Ausnehmung 60( Fig. 8b.).
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Bei ausfahrbaren Leitschaufeln ist gemäß Fig.8b noch eine höhenverstellbare
Verstelleinrichtung vorgesehen,die mit 51 bezeichnet ist.
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An steilen küste wird gemäß Fig. 9 im Meeresboden ein Pylon verankert
in dem das walzenförmig ausgebildete Wasserrad in horizontaler und vertikaler Richtung
verstellbar angordnet ist.Es kann zusätzlich noch Schwimmer 54 aufweisen, ,die unterhalb
des Wasserspiegele das Wasserrad abstützen.
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Diese Schwimmer können zusätzlich noch Stabilisatoren aufweisen, die
aus gelochten blechen 56 bestehen, die unter beliebiger Winkelstellung miteinander
verschweißt sind.
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Diese Stabilisatoren sind wie aus der Fig. 9 ersichtlich, mit len
Schwimmern verschweißt.
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Die Windleiteinrichtung richtet bei entsprechender Windrichtung den
wind auf die Leitschaufeln, sodaß ein zusätzliches Drehmoment erzeugt wird bzw.
sorgt dafür, daß an den Leitschaufeln kein gegenläufiges Drehmoment angreift.