DE4313509A1 - Wasserkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage, beste­ hend aus einem am Außenumfang mit Schaufeln oder Zellen versehenen, tangential angeströmten Wasserrad, welches über ein Getriebe mit einem elektrischen Generator in Antriebsverbindung steht.

Dem kontinuierlich ansteigenden Bedarf an elektrischer Energie steht eine zunehmende Verknappung der haupt­ sächlich zur Energieversorgung verwendeten fossilen Energieträger gegenüber. Hinzu kommt, daß sowohl der Einsatz fossiler Energieträger als auch nukleare Brenn­ stoffe langfristig erhebliche, schwer abschätzbare Um­ weltrisiken mit sich bringt. Diese Umstände sprechen für den Einsatz umweltschonender, regenerativer Ener­ gieträger, wie z. B. Wind- und Wasserkraft. Die bisher weitgehend übliche Ausnutzung der Wasserkraft durch größere Kraftwerkseinheiten ist jedoch auch nicht unum­ stritten. Die meist zur Speisung von größeren Wasser­ kraftwerken notwendigen Staustufen bedeuten einen erheb­ lichen Eingriff in die natürliche Umwelt; es ergeben sich auch Gefährdungen der Fauna, z. B. durch schnell laufende Turbinen. Ein weiteres Problem bei zentralen Großkraftwerken sind die beim Transport der Elektrizi­ tät zum Verbraucher unvermeidlich auftretenden Lei­ tungsverluste.

Die genannten Nachteile lassen sich durch den Einsatz von dezentralen, kleinen bis mittelgroßen Wasserkraft­ anlagen vermeiden, deren Kapazität dem jeweiligen ört­ lichen Bedarf angepaßt ist. Ein weiterer Vorteil bei derartigen Anlagen ergibt sich daraus, daß überschüssi­ ge Elektrizität von privaten Kleinstromerzeugern über preisgünstige elektronische Schaltanlagen ins öffentli­ che Stromnetz eingespeist werden kann. Derartige Was­ serkraftanlagen sind für private Kleinstromerzeuger natürlich nur dann attraktiv, wenn sie wirtschaftlich und wartungsarm sind und den jeweiligen Gegebenheiten flexibel angepaßt werden können.

Eine sehr umweltschonende Möglichkeit, Wasserkraft de­ zentral zu nutzen besteht darin, alte Standorte von Wassermühlen aus vorindustrieller Zeit zur Erzeugung von elektrischem Strom zu nutzen. Überreste solcher Anlagen, z. B. kleine Staustufen, sind noch in sehr großer Anzahl erhalten. Die Reaktivierung eines nutzba­ ren Wasserflusses bereitet so wenig Schwierigkeiten und stellt auch keinen schwerwiegenden Eingriff in die Um­ welt dar.

Die Wasserräder selbst sind zumeist nicht mehr vorhan­ den. Die nachträgliche Installation von Turbinen an solchen ehemaligen Mühlenstandorten ist wegen der oft­ mals zu geringen Stauhöhe des Wassers, der Umweltunver­ träglichkeit von schnell laufenden Turbinen und schließlich der hohen Kosten für solche Anlagen nicht angebracht. Wasserkraftanlagen mit Wasserrädern zur Erzeugung von Elektrizität nach dem Stand der Technik, wie z. B. in der französischen PS 78 08 433 beschrie­ ben, können zwar prinzipiell zur umweltschonenden Ge­ winnung von elektrischem Strom eingesetzt werden, wei­ sen jedoch Nachteile auf, die bisher eine weit verbrei­ tete Nutzung verhindert haben.

Ein Nachteil ist die beidseitige Lagerung des Wasserra­ des. Deswegen sind meist bauliche Maßnahmen zur Instal­ lation der Lagerböcke notwendig. Der Aus- bzw. Einbau des Wasserrades, z. B. zu Wartungszwecken oder zum Austausch des Wasserrades zur Anpassung an wechselnde Strömungsverhältnisse des Wassers ist umständlich. Was­ serräder laufen relativ langsam. Zum Antrieb eines elektrischen Generators mit hoher Drehzahl ist deswegen ein mehrstufiges Getriebe notwendig. Die bisher eigens für diesen Einsatzzweck in kleinen Stückzahlen gefer­ tigten Stirnradgetriebe sind sehr teuer. Deswegen und wegen des hohen erforderlichen baulichen Aufwands sind Anlagen dieser Art meist unwirtschaftlich.

Aus der Auslegeschrift DE 10 61 708 ist eine Wasser­ kraftanlage mit einem fliegend gelagerten Wasserrad mit Planetengetriebe bekannt. Durch die fliegende Lagerung wird das Wasserrad leichter demontierbar. Verschiedene Gründe machen jedoch die dort beschriebene Wasserkraft­ maschine für den Einsatz mit langsam laufenden Wasser­ rädern ungeeignet. So ist das Wasserrad zwar in eine Richtung ausbaubar. Die feste Verbindung des Wasserra­ des mit dem Außenrad des Planetengetriebes bedeutet jedoch, daß bei einem Ausbau des Wasserrades auch das Planetengetriebe teilweise demontiert werden muß. Der­ artige Arbeiten sind nur durch qualifiziertes Personal zu bewerkstelligen.

Außerdem bedeutet es einen großen materiellen Aufwand, bei einem Austausch des Wasserrades gleichzeitig das Außenrad des Getriebes auszutauschen. Ein weiterer Nachteil dieser Konstruktion ist, daß der Schwerpunkt des Laufrades relativ weit vor dem Getriebe liegt. De­ mentsprechend muß die Aufhängung des Getriebes hohe Kräfte aufnehmen. Eine einfache und flexible Anbrin­ gungsmöglichkeit der Wasserkraftmaschine wird somit erheblich erschwert. Auch das Getriebe selbst ist nicht einfach vom Generator trennbar. Aus den genannten Grün­ den ist Anschaffung und Betrieb einer derartigen Was­ serkraftmaschine sehr kostspielig. Deswegen ist sie vorwiegend zum Aufbau von turbinengetriebenen Großanla­ gen geeignet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine wartungsfreundliche, kostengünstige und an die jeweiligen Einsatzbedingungen flexibel anpaßbare Wasserkraftanlage kleiner bis mitt­ lerer Kapazität bereitzustellen. Die Anbringung der Anlage selbst soll einen möglichst geringen baulichen Aufwand erfordern.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Wasserkraftanlage modular aufgebaut ist, wobei das Wasserrad lösbar an der Nabe eines einseitig be­ festigten, als Baueinheit ausgebildeten Radnabengetrie­ bes angebracht ist, dessen Abtriebswelle den Generator antreibt.

Als Baueinheit ausgebildete Radnabengetriebe sind bei­ spielsweise von Schwerfahrzeugen her bekannt. Ihre Verwendung an einem Wasserrad hat erhebliche Vorteile: Da derartige Getriebe aus mehrstufigen Planetengetrie­ ben bestehen, können mit ihrer Hilfe elektrische Gene­ ratoren problemlos von langsam laufenden Wasserrädern getrieben werden. Radnabengetriebe sind von vornherein für eine einseitige Anbringung konzipiert, so daß sich einfache und flexible Einbaumöglichkeiten ergeben. Im Fahrzeugbau werden Radnabengetriebe schon lange Zeit in sehr großen Stückzahlen eingesetzt. Deswegen sind sie technisch sehr zuverlässig und ausgereift. Bedingt durch die großen Stückzahlen sind sie außerdem kosten­ günstig erhältlich.

Dadurch, daß das Wasserrad lösbar am Radnabengetriebe befestigt ist, ergibt sich der Vorteil, daß die Produk­ tion von Radnabengetriebe und Wasserrad getrennt erfol­ gen kann; der Zusammenbau der beiden modularen Einhei­ ten erfolgt erst am Einsatzort. Außerdem ergibt sich die Möglichkeit, am selben Radnabengetriebe unter­ schiedlich geformte, in jeweiligen Einsatzbedingungen angepaßte Wasserräder zu montieren. Dies können z. B. Wasserräder für unter-, mittel- oder oberschlächtigen Betrieb sein.

Eine einfache und kostengünstige Konstruktion des Was­ serrades ist dann möglich, wenn die Nabe als Flansch ausgebildet ist, der mit dem Antriebsflansch des einge­ bauten Radnabengetriebes antriebsseitig verschraubbar ist. Dadurch ist es möglich, das Wasserrad genauso ein­ fach mit dem Radnabengetriebe zu verschrauben, wie bei Fahrzeugen Felgen angebracht werden. Der Montageaufwand ist dabei denkbar gering. Zudem ist eine Ausführung des Wasserrades als einfache Schweißkonstruktion oder der­ gleichen möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Schwerpunkt des Wasserrades im Bereich der Traglager des Radnabengetriebes. Hierdurch ergibt sich zum einen ein sehr kompakter Aufbau; außerdem ist dann das Biege­ moment auf die Halterung des Radnabengetriebes vernach­ lässigbar gering. Die Befestigung des Radnabengetriebes erfordert dann keinen hohen materiellen Aufwand.

Eine vorteilhafte Ausbildungsform der Wasserkraftanlage sieht vor, daß das Radnabengetriebe einseitig mit Trag­ vorrichtungen verbunden ist, die einseitig an eine Gebäudewand anbringbar sind. Dadurch werden schon dann bauliche Maßnahmen überflüssig, wenn z. B. eine Gebäu­ demauer vorliegt, die entlang der Flußrichtung des das Wasserrad treibenden Wasserstrom steht.

Ist das Radnabengetriebe lösbar an den Tragvorrichtun­ gen befestigt, z. B. durch Schrauben, ist eine schritt­ weise Installation der gesamten Anlage sehr einfach möglich. Auch ein Austausch des Radnabengetriebes kann einfach erfolgen, z. B. wenn unterschiedliche Überset­ zungsverhältnisse gefordert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Radnabengetriebe einseitig mit Tragvorrichtungen verbunden, die ein mobiles Traggestell bilden. Die Was­ serkraftanlage kann dann unabhängig von zur Anbringung geeigneten Gebäuden freistehend aufgestellt werden. Dadurch ist auch ein kurzfristiger oder zeitlich be­ schränkter Einsatz denkbar.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform ist der Generator direkt am Radnabengetriebe angeflanscht. Dadurch ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise, die besonders zur Verwendung in kleineren Wasserkraftanla­ gen geeignet ist. Auch für mobile Wasserkraftanlagen ist diese Bauform vorteilhaft.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer ein­ seitig an eine Mauer ange­ brachten, erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage mit schematisch dargestellten elektrischen Einrichtungen;

Fig. 2 eine axiale Ansicht des Wasser­ rades;

Fig. 3 eine auf einem mobilen Tragge­ stell angebrachte Wasserkraft­ anlage;

Fig. 4 eine Wasserkraftanlage mit direkt am Radnabengetriebe angeflanschtem Generator.

In Fig. 1 ist das Wasserrad mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Es ist an seinem Außenumfang mit tangential von Wasser anströmbaren Zellen 2 versehen. Die Nabe 3 des Wasserrades ist als Flansch ausgebildet, welcher mit Schrauben 4 an der Nabe 5 des Radnabengetriebes 6 festgeschraubt ist. Die feststehende, hintere Halte­ rung 7 des Radnabengetriebes 6 ist mittels Schrauben 8 an der Tragvorrichtung 9 befestigt.

Die Tragvorrichtung 9 ist gebäudeseitig mittels Befe­ stigungselementen 10 an der Außenseite einer Gebäude­ wand 11 angebracht. Der in der Zeichnung nicht darge­ stellte, sich entlang der Gebäudewand 11 bewegende Was­ serstrom versetzt das Wasserrad in Rotation um seine Drehachse A.

Die Abtriebswelle 12 des Radnabengetriebes 6 steht mit einem elektrischen Generator 13 in Antriebsverbindung.

Der vom Generator 13 erzeugte elektrische Strom wird über Zuleitungen 14 einem elektrischen Schaltschrank 15 zugeführt. Im Schaltschrank 15 wird der vom Generator 13 erzeugte elektrische Strom bedarfsgerecht umgeformt und Verbrauchern 16 zugeführt. Von den Verbrauchern 16 nicht benötigter elektrischer Strom kann über den Schaltschrank 15 in ein elektrisches Versorgungsnetz 17 eingespeist werden.

Fig. 2 zeigt eine axiale Draufsicht auf das Wasserrad 1. Die Zellen 2 am Außenumfang sind gestrichelt einge­ zeichnet. Die flanschförmig ausgeführte Nabe 3 des Was­ serrades 1 ist mit einer Vielzahl von Befestigungsboh­ rungen 3a versehen, durch die die Nabe 3 ähnlich wie eine Fahrzeugfelge auf die Nabe 5 des Radnabengetriebes 6 aufschraubbar ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Tragvorrichtung 9, die als mobiles, frei aufstellbares Traggestell ausge­ bildet ist.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfin­ dung dargestellt, bei der der elektrische Generator 13 direkt an das Radnabengetriebe 6 angeflanscht ist.

Zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage wird diese mittels ihrer Tragvorrichtung 4 in der Nähe eines Wasserflusses befestigt. Der Wasserfluß strömt die Zellen 2 des Wasserrades 1 tangential an und versetzt dieses um seine Achse A in Rotation. Die lang­ same Rotation des Wasserrades 1 wird vom Radnabenge­ triebe 6 übersetzt. Die sich schneller drehende Ab­ triebswelle 12 des Radnabengetriebes 6 treibt einen elektrischen Generator 13 an. Der vom elektrischen Generator 13 gelieferte elektrische Strom wird im Schaltschrank 15 bedarfsgerecht aufbereitet und seiner weiteren Verwendung zugeführt.

Claims (7)

1. Wasserkraftanlage, bestehend aus einem am Außen­ umfang mit Schaufeln oder Zellen versehenen, tangential angeströmten Wasserrad, welches über ein Getriebe mit einem elektrischen Generator in Antriebsverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserkraftanlage modular aufgebaut ist, wobei das Wasserrad (1) lösbar an der Nabe (5) eines einsei­ tig befestigten, als Baueinheit ausgebildeten Radnaben­ getriebes (6) angebracht ist, dessen Abtriebswelle (12) den Generator (13) antreibt.

2. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Nabe des Wasserrades als Flansch ausgebildet ist, der mit der Nabe (5) des eingebauten Radnabengetriebes (6) antriebsseitig verschraubbar ist.

3. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schwerpunkt des Wasserrades (1) im Bereich der Traglager des Radnabengetriebes (6) liegt.

4. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Radnabengetriebe (6) mit Tragvor­ richtungen (9) verbunden ist, die einseitig an eine Gebäudewand (11) anbringbar sind.

5. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Radnabengetriebe (6) mit Tragvor­ richtungen (9) verbunden ist, die ein mobiles Tragge­ stell bilden.

6. Wasserkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Radnabengetriebe (6) an den Tragvorrichtungen (9), lös­ bar befestigt ist.

7. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Generator (13) am Radnabengetrie­ be (6) angeflanscht ist.