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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur autarken Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft, zur
Wasserförderung
und/oder Wasserverteilung beispielsweise für die Trinkwasser- oder Brauchwasserversorgung
mittels eines einfach aufgebauten Wasserkraftwerkes als Weiterbildung
des Grundprinzips eines Wasserrades.
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Um lokale Bedürfnisse nach elektrischer Energie,
insbesondere in Entwicklungsländern
oder Regionen mit schlecht bzw. nicht entwickelter elektrischer
Infrastruktur zu privaten oder kleinindustriellen Zwecken oder auch
nach zusätzlichem
Trink- oder Brauchwasser zu befriedigen, ergibt sich die Notwendigkeit,
Einrichtungen für
die autarke Erzeugung elektrischer Energie bzw. für die Wasserförderung und/oder
Wasserverteilung zu nutzen, da die Installation von Freileitungen
und der Aufbau einer Vielzahl von lokalen Kleinstnetzen oftmals
aufwendig und kostenintensiv ist.
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Der Einsatz von Windkraftwerken,
Photovoltaik- oder Photothermikanlagen, Gas- oder Dampfkraftwerken, basierend auf
Bioverbrennungs- bzw. Biovergasungsanlagen, zur autarken Energieerzeugung
ist in vielen dieser Länder
und Regionen auf Grund von hohen Investitionskosten und/oder hohem Wartungs-
und Unterhaltskostenaufwand nicht realisierbar.
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Der Einsatz der Wasserkraft zur Energieerzeugung
wird nur für
Gewässer
genutzt, welche eine dafür
ausreichende Fallhöhe
aufweisen oder wo diese Bedingungen zwar mit einem hohen baulichen Aufwand,
beispielsweise durch das Anlegen von Wehren, Staustufen und Falleitungen,
aber dennoch ökonomisch
und ökologisch
sinnvoll erreicht werden.
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Eine einfache Ausführungsart
eines Wasserkraftwerkes zur autarken, nahezu wartungsfreien Erzeugung
von elektrischer Energie ist ein Wasserrad, welches beispielsweise
mit Schaufeln bestückt
ist und mit einer Stromerzeugungseinrichtung gekoppelt werden kann.
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Ein solches Wasserkraftwerk zur Energieerzeugung
mittels eines Wasserrades ist in
DE 198 50 948 A1 beschrieben, wobei das Wasserrad
auf einem U-förmigen
Gerüst
angeordnet ist und eine Wasserzulaufsbegrenzung aufweist. Der dem
Wasserrad nachgeführte
außerhalb
des Gerüsts
angeordneten Generator wird über
einen Riemenantrieb angetrieben. Diese Anordnung ist nur für kleine
bis mittelgroße
Bäche geeignet.
Ein Einsatz für
große,
trägfließende Ströme und Flüsse ist
auf Grund der Verwendung des U-förmigen
Gerüstes
für das
Wasserrad und eines außerhalb
des Gerüstes
angeordneten Generators in dieser Ausführungsform ungeeignet. Eine
Baugröße, die
geeignet ist, elektrische Energie im zweistelligen Kilowattbereich
zu erzeugen, ist mit einer Anlage dieses Wirkprinzips aus technischen und ökonomischen
Gründen
nicht sinnvoll realisierbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Einrichtung der eingangs genannten Art zur autarken und kostengünstigen
Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft, zur Wasserförderung und/oder
Wasserverteilung anzugeben, welche insbesondere für große, trägfließende Ströme und Flüsse mit
geringer Fallhöhe
sowie unterschiedlichen Pegelständen
und Strömungsgeschwindigkeiten
eingesetzt wird, einen einfachen Aufbau aufweist und mit einem geringen
Kosten- und Wartungsauf-wand realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur
autarken Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft zur Wasserförderung
und/oder Wasserverteilung mittels eines einfach aufgebauten Wasserkraftwerkes
mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
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Eine einfache Ausführungsart
eines Wasserkraftwerkes zur autarken, nahezu wartungsfreien Erzeugung
von elektrischer Energie ist ein Wasserrad, welches mit einfachen
Schaufeln bestückt,
mit einer Stromerzeugungseinrichtung, beispielsweise einem exzentrisch
zur Drehachse des Wasserrades angeordnetem Generator, gekoppelt
und auf einem schwimmenden Träger
angeordnet ist.
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Für
eine zusätzliche
Wasserförderung
wird eine Förderpumpe,
welche über
eine Leistungselektronik vom Generator direkt versorgt wird, eingesetzt. Auch
ein direkter mechanischer Antrieb der Förderpumpe ohne Stromerzeugung
ist als eine weitere Ausführungsform
möglich.
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Die Einrichtung basiert auf einer
Weiterbildung des aus dem Stand der Technik bekannten Wasserrades
dahingehend, dass die Antriebswelle für einen Generator und gegebenenfalls
für ein
Getriebe, exzentrisch und außerhalb
der Drehachse des Wasserrades angeordnet ist, wobei die gesamte
Einrichtung im das Wasserrad antreibendem Wasser schwimmt.
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Um die Einrichtung für große, trägfließende Ströme und Flüsse zu nutzen,
ist das Wasserrad auf einem schwimmenden Träger, einem sogenannten Ponton
angeordnet. Eine Wasserzulaufsbegrenzung für die Begrenzung der anströmenden Wassermenge ist
nicht erforderlich, da durch die Verwendung des schwimmenden Trägers die
anströmende
Wassermenge konstant ist und sich nur die Fliessgeschwindigkeit
des Wassers verändert.
Durch eine variable Höhe
der Radnarbe in bezug auf die Pontonoberkante, wird einer Überlast,
welche sich aus dem Überschreiten
einer maximal zulässigen
Anströmgeschwindigkeit
ergibt, begegnet.
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Zur Kraftübertragung vom Wasserrad auf den
Generator wird ein Zahnradgetriebe verwendet, wobei in einer bevorzugten
Ausführungsform
der Außenkranz
des Wasserrades als Getrieberad in Form eines innen oder außen verzahnten
Zahnkranzes und das Ende der Antriebwelle für den Generator als Zahnritze)
ausgeführt
ist. Durch diese Ausführungsform
ist ein zusätzliches
klassisches Getriebe nicht erforderlich.
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Über
die Wahl des Zahnkranzdurchmessers wird das Wasserkraftwerk in einfacher
Weise dem Fliessgeschwindigkeitsbereich des Einsatzstromes angepasst.
Durch das ständige
Benetzen des Zahnkranzes mit Fliesswasser wird eine autarke Wasserschmierung
des Zahnritzels vorgenommen und damit auf zusätzliche Schmierstoffe verzichtet.
Weiterhin wird unter Ausnutzung des Staudrucks des anströmenden Wassers
und unter Verwendung eines Druckwächters eine einfache Überlast-Schutzfunktion gegen Überschreiten
der maximal zulässigen
Anströmgeschwindigkeit
realisiert. Eine Drehzahlkonstanzverbesserung des Wasserrades wird
beispielsweise durch das Anbringen einer Schwungmasse am Wasserrad
erreicht.
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Die Einrichtung weist einen einfachen
robusten und weitgehend verschleißarmen Aufbau auf, so dass
neben wenigen Wartungsarbeiten, welche auf lange Zykluszeiten verteilbar
sind, keine größeren Instandhaltungskosten
anfallen. Insbesondere haben erste Auslegungen und Kalkulationen
ergeben, dass mittels eines so gestalteten einfachen Wasserkraftwerkes
erzeugter Strom deutlich kostengünstiger
ist als mittels alternativen oder konventionellen Energieumwandlungstechnologien
erzeugter Strom.
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Durch die Anordnung der Einrichtung
auf dem schwimmenden, mit dem Gewässergrund oder dem Ufer verankertem
Träger,
dem sogenannten Ponton, ist die Einrichtung gegen auftretendes Hochwasser
geschützt.
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Die Einrichtung zur Energieerzeugung
zur Wasserförderung
und/oder Wasserverteilung weist einen komplett autark zu betreibenden
Aufbau auf. Neben der vorhandenen Energie eines Fliessgewässers müssen weder
andere Primärenergien
der Einrichtung zugeführt
werden, noch müssen
anfallende Reststoffe abtransportiert werden, wie sie beispielsweise
bei Biovergasungsanlagen oder dem Einsatz von Gas- oder Dampfturbinen
anfallen. Auch hinsichtlich der Wartung und des Betriebes ist kein
speziell ausgebildetes Personal vor Ort vorzuhalten.
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Eine weitere Beschreibung der Erfindung
erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen,
die in den folgenden Zeichnungsfiguren dargestellt sind. Dabei sind
die aufgeführten
verschiedenen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Einrichtung
unterscheid bar, welche sich aus den unterschiedlichen Anwendungsfunktionen
zur Stromerzeugung und/oder Wasserförderung ergeben.
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Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Stromerzeugung und Wasserförderung,
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2 eine
zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur getriebelosen Stromerzeugung und Wassertörderung,
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3 eine
dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur wassergetriebenen Wasserförderung,
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4 eine
vierte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Stromerzeugung ohne ein Getriebe nur für die Wasserförderung,
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5 eine
fünfte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur getriebelosen Stromerzeugung ohne Wasserförderung, und
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6 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
mit einer prinzipiellen Darstellung der Verbindung des Generators
mit dem Wasserrad sowie der Lagerung des Wasserrades auf dem Ponton.
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1 zeigt
eine Einrichtung zur autarken Erzeugung elektrischer Energie aus
Wasserkraft und zur Wasserförderung
mittels eines Wasserrades 1, welches über eine Lagerachse 3 und
wenigstens einem Lagerbock 4 mit wenigstens einem schwimmenden
Träger 2 verbunden
ist. Der schwimmende Träger 2 ist
ein einteiliger oder mehrteiliger, in Form eines Hohlkörpers oder
eines Auftriebskörpers
aus-geführter
Ponton, welcher über
eine Verankerung 14 fest mit dem Ufer oder dem Flussgrund
verbunden ist. Die Verbindung des Pontons 2 mit dem Ufer
oder mit dem Flussgrund wird vorzugsweise durch starre, gelenkig
gelagerte oder durch flexible Vorrichtungen beziehungsweise durch
eine starre, in den Flussgrund oder in das Ufer eingebrachte Einrichtung
hergestellt, an welcher der Ponton 2 auf- und abgleitet.
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Das Wasserrad 1 treibt über ein
exzentrisch zur Drehachse des Wasserrades angeordnetes Getriebe 5 einen
Generator 7 an, welcher insbesondere als Drehstromgenerator
ausgeführt
ist. Dazu ist das Wasserrad 1 über eine separate Antriebswelle 6,
welche außerhalb
der Drehachse des Wasserrades 1 angeordnet ist, form- oder
reibschlüssig
mit dem Generator 5 verbunden.
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Der Generator 7 ist mit
einer Leistungselektronik 10 versehen, welche über eine
Stromverteilvorrichtung 11, die der Leistungselektronik 10 nachgeführt ist,
eine Förderpumpe 8 ansteuert,
deren Funktion die Wasserförderung
und Wasserver-teilung mittels eines der Pumpe 8 nachgeführten Wasserverteilsystems 13 ist.
Dem nachgeführten
Wasserverteilsystem 13 wird dazu mittels einer Ansaugvorrichtung 9 über die
Förderpumpe 8 das
Wasser des fließenden
Gewässers
bereitstellt.
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Die Stromverteilvorrichtung 11 ist
weiterhin dafür
eingerichtet, die Endverbraucher 12 dahingehend mit der
erzeugten elektrischen Energie zu versorgen, dass die erzeugte elektrische
Energie in ein autarkes Netz eingespeist wird.
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Das Wasserrad 1, das Getriebe 5,
der Generator 7 mit der Leistungselektronik 10 und
der Stromverteil-vorrichtung 11 sowie die Pumpe 8 und
die Ansaugvorrichtung 9, sind auf dem Ponton 2 angeordnet.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur getriebelosen Stromerzeugung und Wasserförderung, die sich dahingegen
von der ersten Ausführungsform
unterscheidet, dass die Antriebswelle 6 direkt mit dem
Generator 7 verbunden ist, ohne das ein Getriebe 5 dazwischengeschaltet
ist.
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Wird die erfindungsgemäße Einrichtung
nur zur wassergetriebenen Wasserförderung eingesetzt, was in 3 aufgezeigt ist, wird die
außerhalb
der Drehachse des Wasserrades 1 angeordneten Antriebswelle 6 wie
schon in 2 beschrieben,
direkt mit der Förderpumpe 8 verbunden,
deren Funktion die Wasserförderung
ist. Die nachfolgende Wasserverteilung erfolgt mittels eines der
Pumpe 8 nachgeführten
Wasserverteilsystems 13.
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In 4 ist
eine vierte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
ohne ein zusätzliches
Getriebe aufgezeigt, wobei die Erzeugung elektrischer Energie aus
Wasserkraft nur zur Wasserförderung
beispielsweise mittels eines Schöpfrades, kommunizierender
Röhren,
dem archimedischen Prinzip oder einer hydraulischen mechanisch getriebenen
Pumpe 8 mit oder ohne Getriebe 5 genutzt wird.
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Das Wasserrad 1 treibt über die
Antriebswelle 6 den Generator 7 an. Dazu ist das
Wasserrad 1 über
die separate Antriebswelle 6, welche außerhalb der Drehachse des Wasserrades 1 angeordnet
ist, mit dem Generator 5 verbunden.
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Der Generator 7 ist mit
der Leistungselektronik 10 versehen, welche über die
Stromverteilvorrichtung 11, die der Leistungselektronik 10 nachgeführt ist,
die Förderpumpe 8 für die Wasserförderung
ansteuert und dem nachgeführten
Wasserverteilsystem 13 das mittels der Ansaugvorrichtung 9 angesaugte Wasser
des fließenden
Gewässers
bereitstellt.
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In 5 ist
eine fünfte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Stromerzeugung ohne Wasserförderung
aufgezeigt.
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Das Wasserrad 1 treibt über die
Antriebswelle 6, welche außerhalb der Drehachse des Wasserrades 1 angeordnet
ist, den Generator 7 an. Der Generator 7 ist mit
der Leistungselektronik 10 versehen, welche über die
Stromverteilvorrichtung 11, die der Leistungselektronik 10 nachgeführt ist,
die Endverbraucher 12 mit der erzeugten elektrischen Energie versorgt.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Einrichtung
mit einer prinzipiellen Darstellung der Verbindung des Generators mit
dem Wasserrad mittels eines Zahnkranzes und eines exzentrisch zur
Drehachse des Wasserrades, oben angeordneten Zahnritzel, sowie der
Lagerung des Wasserrades auf dem Ponton gezeigt.
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Der Generator 7 ist mit
dem Wasserrad 1, mittels der außerhalb der Drehachse des Wasserrades 1 angebrachten
Antriebswelle 6 für
das Getriebe 5, verbunden. Die Lagerung des Wasserrades 1 wird mittels
zweier Lagerböcke 4 und
einer daran befestigten Lagerachse 3 auf dem Ponton 2,
wobei der Ponton 2 eine bestimmte Breite b2 aufweist, realisiert.
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Die Kraftübertragung vom Wasserrad 1 auf den
Generator 7 wird mittels eines am Außenkranz der Schaufeln 16 des
Wasserrades 1 befindlichen offenen Getriebes in Form einer
Zahnkranz-/Zahnritzelkombination realisiert. Das Ende der Antriebswelle
6 für den Generator 7 ist
dabei als Zahnritzel 17 ausgeführt, welches den Zahnkranz 15 über die
Antriebswelle 6 mit dem Generator 7 verbindet.
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Mit den Auslegeparametern des Wasserrades,
wie beispielsweise dem Raddurchmesser d, der Art der Ausführung der
Schaufeln, der Schaufelanzahl, den Schaufelabmessungen h, b1, der
Eintauchtiefe der Schaufeln oder der Anströmgeschwindigkeit des Wassers
ist die Abgabe der Leistung der erfindungsgemäßen Einrichtung variierbar.
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Die Ankopplung des Wasserrads 1 an
den Generator 7 über
einen das Wasserrad 1 stabilisierenden Zahnkranz 15 und
ein Zahnritzel 17 erlaubt die Anpassung des Systems an
die Fliessgeschwindigkeit des Einsatzgewässers unter Verzicht auf ein zusätzliches
Getriebe 5. Durch Eintauchen des Zahnkranzes 15 in
das Gewässer
wird die Zahnkranz-/Zahnritzelverbindung autark mittels einer Wasserschmierung
betrieben. Ein automatischer Schutz vor Überlast durch Überschreiten
der für
den jeweiligen Anwendungsfall maximal zulässigen Anströmgeschwindigkeit
erfolgt mittels Druckwächter und
Sperrventilen unter Ausnutzung des Staudrucks des anströmenden Wassers.
Bei Erreichen eines Maximaldruckes werden die Sperrventile geöffnet und die
Lagerachse 3 in den Lagerböcken 4 vorzugsweise
durch den Wasserdruck angehoben. Dadurch wird automatisch das exzentrisch
zur Lagerachse 3 an der oberen Seite des Zahnkranzes 15 angreifende
Zahnritzel 17 ausgekuppelt. Bei einem Absinken des Staudrucks
auf eine definierte Größe wird
dann automatisch das Wasserrad 1 wieder abgesenkt und dadurch
das Ritzel 17 wieder eingekuppelt.
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Eine zusätzliche Kontrolle der Wasserraddrehzahl
erfolgt in vorteilhafter Weise mittels eines Drehzahlwächters,
welcher ein Heißlaufen
bzw. ein Überdrehen
des Wasserrades 1 verhindert.
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- 1
- Wasserrad
- 2
- Ponton
- 3
- Lagerachse
- 4
- Lagerbock
- 5
- Getriebe
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Generator
- 8
- Förderpumpe
- 9
- Ansaugvorrichtung
- 10
- Leistungselektronik
- 11
- Stromverteilvorrichtung
- 12
- Verbraucher/Netz
- 13
- Wasserverteilsystem
- 14
- Verankerung
- 15
- Zahnkranz
- 16
- Schaufel
des Wasserrades
- 17
- Zahnritze)
- b1
- Schaufelbreite
- b2
- Pontonbreite
- d
- Raddurchmesser
- h
- Schaufelhöhe