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Die Erfindung ist ein System aus Wasserrädern, welches Fließenergie in elektrische Energie umwandelt.
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Seit langer Zeit verwenden die Menschen die Fließkraft von Wasser, um deren Energie zu nutzen und zu speichern.
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So kennt jeder die Verwendung von Wasserrädern an Flüssen und Bächen, die zum Antrieb eines Getreidemahlwerkes benutzt werden.
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In einem größeren Maßstab wird in Wasserkraftwerken durch eine Stauanlage Wasser im Stauraum auf hohem potentiellen Niveau zurückgehalten. Die Bewegungsenergie des abfließenden Wassers wird auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad übertragen, welches wiederum direkt oder über ein Getriebe einen elektrischen Generator antreibt, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Zur Einspeisung in ein Mittel- oder Hochspannungsnetz ist vielen Wasserkraftwerken auch ein Umspannwerkwerk angegliedert.
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Der Aufwand zur Gewinnung der Energie auf einem solchen Weg ist groß und bedarf landschaftsbedingter Vorraussetzungen sowie enorme bautechnische Anstrengungen.
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Das Wasserrad selbst in seiner ursprünglich bekannten Form hat in den derzeitigen industrialisierten Regionen kaum noch wirtschaftliche Bedeutung. Die meisten stehen in den zahlreichen zu Museen umgebauten Mühlen, einige treiben kleinere Generatoren an und dienen der Stromerzeugung. Teilweise laufen Wasserräder sogar nur zu dekorativen Zwecken ohne Energienutzung. Ein wichtiger Unterschied zwischen Wasserrädern und den Turbinen ist allerdings, dass die Wasserräder ohne Regelung und mit stark schwankenden Wassermengen ohne nennenswerte Einbußen beim Wirkungsgrad laufen können.
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Bauartbedingt sind die Wasserräder auch zu unterschiedlichen Leistung fähig, wobei sie natürlich den jeweiligen landschaftlichen Gegebenheiten angepasst werden können. Grob unterscheidet man zwischen Zellen und Schaufelrädern.
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Zellenräder bestehen aus seitlich und nach unten abgeschlossenen Behältern (Zellen), die das Wasser maximal eine halbe Umdrehung festhalten. Diese Bauform wird auch als Staber- oder Kranzrad bezeichnet. Eine Sonderform stellt das Pansterrad dar, das nach demselben Prinzip aufgebaut, jedoch wesentlich größer und breiter und daher für den Einsatz in Flüssen geeignet ist.
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Schaufelräder dagegen besitzen keine Zellen, sondern nur radial angeordnete Bleche oder Bretter (Schaufeln), die zu allen Seiten offen sind. Um das Wasser in den Schaufeln zu halten, laufen die meisten Schaufelräder in einem Kropfgerinne. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss das Kropfgerinne möglichst eng an der Schaufel anliegen Diese Bauform wird auch als Strauber- oder Stelzenrad bezeichnet.
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Je nachdem, wo das Wasser von den Kästen oder Schaufeln aufgenommen wird, unterscheidet man noch das „oberschlächtige Wasserrad”, das „mittelschlächtige Wasserrad” und das „unterschlächtige Wasserrad”.
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Es gibt aber kaum Wasserräder, die aus niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten Energie gewinnen können.
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Bekannt sind weiterhin auch Wasserkraftmaschinen mit mehreren, an Kurbelstangen hintereinander angeordneten, blattförmigen Schaufeln. Solche gehen beispielsweise aus der
DE 10 2012 001 334 A1 und der
DE 13 862 A hervor.
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Hiervon ausgehend war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wasserradsystem bereitzustellen, welches auch niedrige Strömungsgeschwindigkeiten zur Energiegewinnung ausnutzt.
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Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Wasserkurbelantrieb zur Umwandlung von Fließwasser in elektrische oder sonstige Energie, bestehend aus mindestens drei Schaufelkästen, welche durch zwei miteinander verbundene, in gleiche Richtung laufende Kurbelwellen gekoppelt sind, gelöst, wobei die Schaufelkästen so angeordnet sind, dass sie nacheinander in das zum Antrieb vorgesehene Strömungsmedium eintauchen und wobei ein Umwandlungsmodul, vorzugsweise ein Generator, so an den Wasserkurbelantrieb angebracht ist, dass dieser die durch die Strömung und den damit erzeugten Schub entstandene kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt.
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Die oben erwähnten Schaufelkästen bestehen aus unterseitig offenen Gehäusen, welche an einem Konstruktionsrahmen befestigt sind. Die Gehäuse selber können ebenfalls schon den Konstruktionsrahmen darstellen. Die Schaufelkästen tauchen in das zum Antrieb vorgesehen Strömungsmedium ein. Hierbei handelt es sich meist um fließendes Wasser aus einem Flusslauf oder einem Bach oder um Meeresströmung. Beim Eintauchvorgang wird der Schaufelkasten durch das fließende Wasser in Flussrichtung gedrückt. Der durch die Fließströmung auf den Schaufelkasten ausgeübte Strömungsdruck wird somit zur Bewegung der Schaufelkästen und somit der Kurbelwellen genutzt. Diese Kurbelwellenbewegung kann über einen Generator in eine andere Energieform, vorzugsweise elektrische Energie, umgewandelt werden.
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Eine solches unterschlächtiges Wasserrad kann bei leicht strömenden Gewässern mit nur einem geringen Gefälle zum Einsatz kommen.
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Grundsätzlich fließt das Wasser bei unterschlächtigen Wasserrädern unter dem Rad in einem Kropf durch. Der Kropf ist eine Führung, welche dem Rad angepasst ist. Sie verhindert, dass Wasser unterhalb und seitlich der Schaufeln abfließt, ohne es anzutreiben. Aufgrund der eher simplen Bauweise sind unterschlächtige Wasserräder die älteste Form der Wasserräder. In diesem Fall kann die Wirkungsweise des Kropfes durch die Schaufelkästen ersetzt sein. Auch hier kann das in den Schaufelkästen eingefangene Wasser diese kaum mehr verlassen und überträgt folglich den größten Teil seiner Bewegungsenergie auf den Kasten.
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So kann beispielsweise das Einsatzgebiet bei Gefällen von 0,25 bis 2 m liegen und Wassermengen über 0,3 m3/s, beziehungsweise 50 Litern pro Sekunde. Daraus ergibt sich eine Leistung im ein- bis zweistelligen kW-Bereich. Unter optimalen Bedingungen, insbesondere, wenn der Spalt zwischen Kropf und Rad klein ist, werden Wirkungsgrade von über 70% erzielt. Unterschlächtige Wasserräder werden bei Umfangsgeschwindigkeiten von 1,6–2,2 m/s betrieben, wobei diese Größe einen Erfahrungswert darstellt. Eine Ausführungsform der hier vorliegenden Erfindung hat schon bei einer Fließwassergeschwindigkeit von 5–6 m/s gute Ergebnisse erzielt. Wegen des geringen Gefälles steht das Wasserrad normalerweise direkt beim Wehr. Das vorliegende erfindungsgemäße Wasserrad bzw. der erfindungsgemäße Wasserkurbelantrieb kann aber aufgrund der symmetrischen Konstruktion auch das Fließwasser von Ebbe und Flut einfangen und zu Energie umwandeln. Ebenso sind wasserdurchspülte Engstellen zwischen Landausbuchtungen und kleinere umspülte Inseln ein Gebiet, auf welchen dieses Wasserrad verwendet werden kann, da es keinerlei Größenbeschränkungen unterliegt.
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Es wird zusätzlich auch die Schubenergie, die in dem sich als Gesamtheit bewegenden Wasser vorliegt, ausgenutzt und in Energie umgewandelt, also nicht nur der Wasserdruck auf die Stirnflächen der Kästen, sondern die Mitnahmeenergie durch das Wasser, welches sich unter anderem in den Kästen gefangen hat, wird zum Antrieb des Rades verwendet und in Energie umgewandelt. Die Größe einer angeströmten Fläche ist hierbei nicht der alleinige Faktor, der zum Antrieb des Rades beiträgt, sondern auch die von den Wasserkästen beim Eintauchen in das Fließwasser abzubremsende Wassermenge und deren kinetische Energie treiben das Rad ebenfalls an. Denn beim Eintauchen werden die Kästen mit dem Wasser gefüllt, welches sich nun im Kasteninneren befindet. Die Bewegung dieses Wasser ist noch nicht gebremst und schiebt die Kästen zusätzlich weiter an. Dies ist durch Versuche getestet und belegt worden, bei welchen man die Energieausbeute von Wasserrädern mit Schaufelkästen gegenüber Wasserrädern, welche nur über Schaufeln verfügen, verglichen hat. Hier waren die Schaufelkästen durchweg ergiebiger. Vorzugsweise sollen die Wasserkästen senkrecht in das Wasser eintauchen.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserkurbelantrieb ist dieser dadurch gekennzeichnet, dass dieser genau drei Schaufelkästen aufweist, welche in einem Winkel von 120° beabstandet angeordnet sind. In einer besonders gelungenen und bevorzugten Ausführungsform sind die Schaufelkästen so angeordnet, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens ein oder genau ein Schaufelkasten in das Fließwasser eintaucht und somit der Wasserkurbelantrieb dauernd mit Bewegungsenergie aus dem fließenden Wasser versorgt wird. Es gibt also keinen konstruktionsbedingten Stillstand. Nut das Fehlen des fließenden Wasser kann zu einem Stillstand des Wasserkurbelantriebs führen.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Wasserkurbelantrieb so ausgestaltet, dass die Schaufelkästen in einzelne Segmente unterteilt sind. In diesen einzelnen Segmenten wird das Fließwasser gefangen und kann, während des Eintauchvorganges nicht an den Schaufelkästen vorbeiströmen.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Ventile in die Schaufelkästen eingebracht, welche einem zu starken Druck innerhalb der Kästen durch das einströmende Wasser entgegenwirken. Des Weiteren können diese Ventile auch bei zu starken Beschleunigungen des Wasserrades beim Eintauchvorgang durch das Fließwassers dem möglicherweise zerstörerischen Druck entgegenwirken.
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In einer anderen Ausführungsform des Wasserrades ist dieses so aufgebaut, dass die Kästen aus unterschiedlich langen Einfassungsbrettern bestehen. So kann beim Eintauchen der Kästen in das Fließwasser schon teilweise der Wasserdruck des Fließwassers aufgenommen und in Energie umgesetzt werden, ohne dass das Wasserrad zu stark und abrupt belastet wird.
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1 zeigt einen möglichen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Wasserkurbelantriebs aus 2 Ansichten
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2 zeigt einen möglichen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Wasserkurbelantrieb
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaufelkästen
- 2
- Kurbelradius
- 3
- Fließwasser
- 4
- Stirnfläche eines Schaufelkastens
- 5
- einzelne Segmente, Kammern
- 6
- Anschlußflansch für den Generator an der Kurbelwelle
- 7
- Kurbelwelle u. Kurbelwellenradius
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1 zeigt einen möglichen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Wasserkurbelantriebs. In dieser Figur kann man deutlich die Schaufelkästen 1 erkennen, die in diesem Fall an mindestens 2, vorzugsweise aber 3 (drei-fach gekröpften) gegenüberliegenden Kurbelwellen um 120° versetzt angebracht sind. Entsprechend ihrer Anbringung an den Kurbelwellen und dem Kurbelradius 2 tauchen die Kästen zeitversetzt in das Fließwasser 3 ein. (Der Pfeil markiert die Fließrichtung) Die Stirnfläche 4 wird von dem fließenden Wasser angeströmt, der Kasten bewegt sich kreisförmig in gleicher Richtung. Gleichzeitig füllt sich der Wasserkasten sehr schnell mit dem mit größerer Geschwindigkeit fließenden Wasser und sorgt für zusätzlichen Schub in Drehrichtung. Ventile bewirken einen Druckausgleich in den Behältern. Der Anschlussflansch für einen Generator befindet sich an der Kurbelwelle 6. Es hat sich bei Versuchen ergeben, dass bei einer Anordnung von einem Abstand von jeweils 120° der Schaufelkästen zueinander, ein mindestens ein Schaufelkasten durch das Fließwasser angetrieben wird, während die anderen Schaufel so mitangetrieben den jeweiligen Totpunkt des Wasserkurbelantriebs überwinden können. Dieser Wasserkurbelantrieb kann als Baukastensystem ausgelegt und produziert werden. Er kann so an jegliches fließende Gewässer in seiner Länge und Breite angepasst werden. Entweder indem man mehrere Wasserkurbelantriebe nebeneinander aufbaut oder durch Anpassung der Länge der Schaufelräder durch Weglassen oder Hinzufügen eines Segmentes. Oder anderenfalls indem weitere Schaufelkästen nebeneinander vorhanden sind.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In dieser Figur ist die 3-fach gekröpfte Kurbelwelle deutlich zu erkennen
