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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie
aus Wasserkraft, enthaltend:
- (a) eine umgebungsfeste
Welle,
- (b) eine um die Längsachse der Welle drehbare und auf
der Welle gelagerte Turbine mit Turbinenschaufeln, und
- (c) einen als Außenläufer ausgebildeten, elektrischen
Generator, der von einem in der Turbine vorgesehenen Rotor gebildet
ist, der mit einem an der Welle vorgesehenen Stator zusammenwirkt.
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Stand der Technik
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Zur
Gewinnung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen kann die
Wasserkraft an Gewässern genutzt werden. Aus der
DE 10 2007 003 618
A1 sind Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie
aus Wasserkraft bekannt, die als Strömungsmaschinen vorzugsweise
in Meeresströmungen und Fließgewässern
zur Energiegewinnung eingesetzt werden. Die aus der Druckschrift
bekannten Turbinen sind als Laufräder mit Rotorblättern
ausgebildet. Dabei strömt das Wasser parallel zur Achse des
Laufrades gegen die Rotorblätter. Dazu ist die Vorrichtung
im Wasserlauf angebracht. Die Energieausbeute ist daher auf die
Fließgeschwindigkeit des Gewässers beschränkt.
Alternativ werden auch an eigens errichteten Stauwerken Vorrichtungen
zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Dabei ist in der
Staumauer eine Turbine vorgesehen.
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Nachteilig
bei der bekannten Anordnung ist es, dass sie entweder in der Strömung
des Fließgewässers angebracht werden muss, wodurch
der Verkehr auf dem Fließgewässer eingeschränkt
wird. Oder es müssen eigens Staustufen errichtet werden, in
denen diese Art der Turbinen integriert ist. Das Errichten von Staumauern,
ist kostenintensiv und setzt üblicherweise eine lange Vorlaufzeit
voraus, da ein solcher Bau erst genehmigt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit der zusätzliche Energie an bereits
vorhandenen Gegebenheiten ohne einen Eingriff in die Natur gewonnen werden
kann.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe dadurch gelöst, dass
- (d)
Befestigungsmittel zur Befestigung der Vorrichtung stromabwärts
eines Wehrs oberhalb einer Wasseroberfläche eines unteren
Niveaus des Wehrs vorgesehen sind, derart dass die Turbine durch
von dem Wehr fallendes Wasser antreibbar ist,
- (e) die Turbine als Schaufelrad ausgebildet ist, und
- (f) sich die Turbinenschaufeln, der Rotor und der Stator in
Richtung der Längsachse der Welle entlang des überwiegenden
Teils der Vorrichtung erstrecken.
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Bei
einer solchen Vorrichtung kann die Energie des überströmenden
Wassers in eine Rotation der Turbine umgewandelt werden. Da die
Turbinenschaufeln, der Rotor und der Stator sich entlang des überwiegenden
Teils der Vorrichtung erstrecken, wird die Effizienz erhöht.
Vorzugsweise erstreckt sich die Turbine über die gesamte
Breite des Wehres.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung
modular aus mehreren Turbinen zusammengesetzt. Dies hat den Vorteil, dass
bei einem breiteren Wehr die gesamte Breite ausgenutzt werden kann.
Bei einer Anordnung, die aus nur einer Turbine besteht, ist die
maximal erreichbare Länge beschränkt, da die Welle
nur an den Enden gelagert ist. Bei einem modularen Aufbau kann jedes
Modul kürzer und selbständig gelagert sein.
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In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung sind Rotor und Stator
eines Moduls segmentiert. Dies erlaubt den Einsatz von einfach zu
fertigenden Weicheisenzylindern als Kern eines Pols. Die Spulen der
Pole lassen sich ferner leichter wickeln. Durch den Einsatz von
Polabmessungen, die in der Serienproduktion üblich sind,
ist die Herstellung kostengünstiger.
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Vorteilhafter
Weise sind Rotor und Stator mehrpolig ausgebildet. An der Turbine
ist kein Getriebe vorgesehen. Dadurch entspricht die relative Winkelgeschwindigkeit
zwischen Rotor und Stator der Winkelgeschwindigkeit der Turbine.
Dies führt zu einer niedrigen Frequenz der induzierten
Spannung. Durch eine mehrpolige Anordnung wird die Frequenz der
erzeugten Wechselspannung erhöht. Die Anpassung der Frequenz
an die Frequenz des Stromnetzes wird erleichtert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Rotor als Kurzschlussläufer
ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass auf den Einsatz von teuren
Permanentmagneten verzichtet werden kann. Die Vorrichtung wird dadurch
kostengünstiger in der Herstellung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
Frequenzrichter zum Anpassen der Frequenz des erzeugten Stroms an
die Frequenz eines Stromnetzes vorgesehen ist. Die Frequenz der induzierten
Wechselspannung ist niedriger, als die Frequenz des Stromnetzes.
Damit man die erzeugte Energie auch nutzen kann, sind also Frequenzwandler
vorgesehen.
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Vorteilhafter
Weise umfasst der Rotor einen rohrförmigen Träger
aus magnetisch leitendem Material. Dies sorgt für einen
magnetischen Schluss der Pole und erhöht dadurch die Effizienz
der Anordnung.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Sensor zum Erfassen
der erzeugten elektrischen Energie vorgesehen. Dies liefert einen
wichtigen Hinweis auf die Effizienz der Vorrichtung. Weiterhin lasst sich
damit die ins Stromnetz eingespeiste Energie protokollieren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung können Mittel zum Steuern
und Regeln der Messwerte vorgesehen sein, welche vom Sensor erfasst
werden. Beispielsweise kann die momentan erzeugte elektrische Energie
mit dem Mittelwert der erzeugten elektrischen Energie der letzten
Woche verglichen werden. Änderungen in der Effizienz der
Vorrichtung sind dann schnell zu erkennen. Dies kann dann durch
Signalmittel angezeigt werden.
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Vorteilhafter
Weise sind an der Vorrichtung Mittel zur Einstellung des Abstandes
zwischen der Achse der Turbine und dem Wehr vorgesehen. Dadurch
ergibt sich die Möglichkeit die Turbine auszurichten. Wenn
sich der Wasserstand am Wehr deutlich ändert, ist es möglich,
dass die Turbine nicht mehr optimal vom überlaufenden Wasser
getroffen wird. Dann ist es sinnvoll die Turbine neu auszurichten.
Dies erhöht die Effizienz der Vorrichtung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Achse der Vorrichtung wehrseitig
zum Wasserstrahl angeordnet. Dadurch fließt das Wasser über
das Schaufelrad. Treibgut kann daher nicht zwischen Wehr und Schaufelrad
gelangen und dieses blockieren. Diese Ausgestaltung erhöht
die Betriebssicherheit der Anordnung.
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Vorteilhafterweise
ist die Welle als Hohlwelle mit abgedichteten Kabeldurchführungen
ausgebildet. Dadurch lassen sich die Kabel des Stators nach außen
führen, gleichzeitig wird ein Eindringen von Wasser in
die Rotor/Stator Anordnung verhindert. Die Anordnung erfordert dann
weniger Wartung. Gleichzeitig wird die Lebensdauer erhöht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Befestigungsmittel ein
Gestell zur seitlichen Befestigung am Ufer. Aufgrund ihrer Wichtigkeit
unterliegen Wehre besonderen Auflagen. So können nicht einfach
Befestigungslöcher in ein Wehr gebohrt werden. Hier wird
die Vorrichtung unabhängig vom Wehr am Ufer befestigt.
Der bürokratische Aufwand vor der Installation wird reduziert.
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Vorteilhafter
Weise sind Mittel zum verdrehsicheren Halter der Welle vorgesehen.
Hierzu ist beispielsweise eine Passfeder vorgesehen. Alternativ kann
die Welle am Ende als Mehrkant ausgebildet sein und die Halterung
als negativ dieses Mehrkantprofils. Weiterhin ist es möglich
das Wellenende abzuplatten.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Turbine aus einem rostfreien
Material, insbesondere Edelstahl, gebildet. Die Verwendung von rostfreiem Material
erhöht die Lebensdauer der Anordnung und reduziert die
Wartungskosten. Damit wird die Anordnung wirtschaftlicher.
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In
einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Turbine ein Rohr, mit im
wesentlich an radialer Richtung abstehenden Schaufeln. Rohre mit
unterschiedlichen Durchmessern können günstig
beschafft werden. Es entfällt damit die teure Einzelanfertigung.
Die im wesentlichen radial abstehenden Schaufelräder, sorgen
für ein größeres Drehmoment durch das
auftreffende Wasser.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung erstrecken sich die Schaufeln
entlang des überwiegenden Teils der Länge des
Rohres. Dadurch ist es möglich die Energie des überlaufenden
Wassers über die gesamte Breite der Anordnung zu nutzen.
Dies erhöht die Effizienz.
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Vorteilhafter
Weise sind die Schaufeln gegenüber der Turbinenachse geneigt.
Dadurch läuft das Wasser gleichmäßiger
aus den Schaufeln heraus. Das Geräusch des Wassers wird
reduziert, was zu einer geringeren Lärmbelastung der Anwohner führt.
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Durch
die Erfindung ist es nun möglich die Wasserkraft des an
Wehren überlaufenden Wassers zur Energieversorgung zu nutzen.
Bisher war dies nicht möglich, da bekannte Vorrichtungen,
eigens errichtete Staustufen vorausgesetzt haben.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Skizze der Turbinenanordnung, wie sie an einem
Wasserlauf angeordnet ist.
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2 zeigt
schematisch eine perspektivische Darstellung einer Turbine.
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3 ist
eine perspektivische Darstellung einer Rotor/Stator Anordnung.
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Rotor/Stator Anordnung in der
Draufsicht.
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5 ist
der schematische Querschnitt einer Hohlwelle mit Statoren, und angeschlossener
Elektronik.
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6 zeigt
im Schnitt eine Abdeckung, welche die Anordnung gegen eindringendes
Wasser schützt.
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7 ist
die Skizze einer Befestigungseinrichtung zum verdrehsicheren Halter
einer Welle.
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8 ist
ein schematischer Querschnitt durch einen Wasserlauf, bei dem zwischen
den Uferseiten eine erfindungsgemäße Vorrichtung
angebracht ist.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie
aus Wasserkraft, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die
Vorrichtung ist an einem Wasserlauf 12 angebracht. Durch
ein Wehr 14 ist der Wasserlauf in einen Oberlauf 16 und einen
Unterlauf 18 unterteilt. Vom Wehr fallendes Wasser 20 trifft
auf Schaufeln 22 der Vorrichtung 10, die dadurch
in Rotation um eine Achse 24 versetzt wird.
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Die
Schaufeln 22 der Vorrichtung 10 sind in 2 dargestellt.
Die Schaufeln 22 sind an einem Rohr 26 befestigt.
Die Schaufeln 22 und das Rohr 26 bilden eine Turbine 28.
Die Turbine 28 besteht aus rostfreiem Stahl. Vorzugsweise
sind die Schaufeln 22 gekrümmt. Die Schaufeln 22 sind
gegen die Achse 24 des Rohres 26 geneigt. Dies
reduziert die Geräusche, die das Wasser 20 beim
Verlassen der Schaufeln 22 erzeugt.
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In
dem Rohr 26 ist ein Rotor 30 vorgesehen. Dieser
ist in 3 und 4 dargestellt. Der Außendurchmesser
des Rotors 30 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser
des Rohres 26 der Turbine 28, damit der Rotor 30 in
der Turbine 28 befestigt werden kann. Der Rotor 30 umfasst
einen rohrförmigen Träger 32 aus einem
magnetisch leitenden Stahl. Der rohrförmigen Träger 32 ist
entlang seiner Längsachse 24 in zwei Teile teilbar 34, 36.
Die beiden Teile 34, 36 des rohrförmigen
Trägers 30 sind verschraubbar. Dazu sind an einer
Innenseite des einen Teils des rohrförmigen Trägers 34 Vorsprünge 38, 40 vorgesehen.
Durch die Wandung des anderen Teils des rohrförmigen Trägers 36 gehen
Löcher 42, die mit korrespondierenden Löchern
in den Vorsprüngen fluchten. Durch diese Löcher 42 werden
Schrauben gesetzt, welche die beiden Teile 34, 36 miteinander
verbinden.
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An
der Innenwandung des rohrförmigen Trägers 32 des
Rotors 30 sind Segmente 120 aus drei Weicheisenkernen 43 vorgesehen,
welche jeweils von einer Kupferspule 45 umgeben sind. Die
Weicheisenkerne 43 sind koaxial angeordnet und stehen in einem
120° Winkel zueinander. In einer nicht dargestellten Ausgestaltung
ist eine größere Anzahl von Weicheisenkernen mit
Kupferspulen vorgesehen, wodurch sich der Winkel dazwischen entsprechend reduziert.
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Die
Kupferspule 45 ist als Kurzschlussspule ausgebildet. Dadurch
entsteht eine Kurzschlussläuferanordnung. An den Stirnseiten
des rohrförmigen Trägers 32 sind auf
jeder Seite Abdeckungen 46 vorgesehen. Die Abdeckung 46 ist
in 6 gezeigt. Die Abdeckungen 46 werden
an den Stirnseiten des rohrförmigen Trägers 32 befestigt.
Die Abdeckungen 46 enthalten Lagersitze 48. In
die Lagersitze 48 werden Kugellager 50 eingesetzt.
Die Kugellager 50 bestehen aus einem Außenring 52 und
einem Innenring 54. Der Außenring 52 des
Kugellagers 50 sitzt in dem Lagersitz 48 der Abdeckung 46.
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Mit
Hilfe der Kugellager 50 wird der Rotor 30 konzentrisch
und drehbar an einer Welle 56 angebracht. Das Kugellager 50 ist
durch einen Wellendichtring 108 zwischen Welle 56 und
Abdeckung 46 gegen eindringendes Wasser geschützt.
In einem alternativen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Abdichtung gegen Wasser durch ein Labyrinth umgesetzt.
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Der
Innenring 54 des Kugellagers 50 sitzt auf einem
Lagersitz 57 der Welle 56. 5 zeigt
schematisch die Welle 56 mit einem Stator 104 im
Schnitt. Die Welle 56 ist als Hohlwelle ausgebildet. An
der Welle 56 ist der Stator 104 vorgesehen, wie
in 4 gezeigt. Der Stator 104 ist entlang
der Achse 24 der Welle 56 in Segmente 122 unterteilt.
Dies ist in 5 gezeigt. Jedes Segment 122 umfasst
ein Polpaar 116. Das Polpaar 116 wird aus drei
Kupferspulen 64 mit Weicheisenkern 62 gebildet,
welche im 120° Winkel radial abstehend um die Welle 56 angeordnet sind,
in 4 gezeigt. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist eine größere Zahl von Polpaaren vorgesehen,
dadurch entsteht bei gleicher Umdrehungszahl eine Wechselspannung
höherer Frequenz.
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Die
Kupferspulen 45 eines Segmentes 120 des Rotors 30 und
die Kupferspulen 64 eines Segmentes 122 des Stators 104 befinden
sich koaxial angeordnet in einer Ebene. Von der Kupferspule 64 gehen
Kabel 66 ab, welche durch die Hohlwelle 56 nach außen
geführt werden. Entlang der Achse 24 sind am Rotor 30 und
am Stator 104 je vier Segmente 120, 122 vorgesehen.
Dies ist in 5 dargestellt. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit ist die Kupferspule 64 um
den Weicheisenkern 62 nur an einem der Segmente 122 des
Stators 104 angedeutet. Die Enden der Hohlwelle 56 sind
mit einer wasserdichten Kabeldurchführung 68 versehen.
Die Hohlwelle 56 ist an jedem Ende mit einer Befestigungseinrichtung 70 verbunden.
Die Hohlwelle 56 ist durch Passfedern 72 an den
Enden gegen Verdrehen gesichert.
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Die
Befestigungseinrichtung 70 umfasst zwei Halbschalen 76, 78.
Dies ist in 7 dargestellt. In der oberen
Halbschale 76 ist eine Nut 80 zur Aufnahme der
Passfeder 72 vorgesehen. Die beiden Halbschalen 76, 78 werden
miteinander verschraubt. In einer nicht gezeigten alternativen Ausführung
sind die gelagerten Enden der Hohlwelle als Mehrkant, hier einem
Sechskant ausgebildet.
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Die
Halbschalen 76, 78 sind als negativ zum Profil
des Wellenendes ausgebildet.
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Die
Befestigungseinrichtung 70 ist Teil eines Gestells 82,
welches an einem Ufer befestigt ist. Das Gestell 82 ist
in 8 gezeigt.
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Zur
Befestigung der Vorrichtung 10 stromabwärts des
Wehrs 14 oberhalb der Wasseroberfläche sind Befestigungsmittel 89 vorgesehen.
Die Befestigungsmittel 89 umfassen das Gestell 82 und
Metallschienen 84. Für die Befestigung des Gestells 82 sind
auf beiden Seiten 110, 112 des Ufers Metallschienen 84 vorgesehen.
Die Befestigungsmittel 89 stellen auch Mittel 126 zur
Einstellung des Abstandes zwischen der Achse 24 der Turbine 28 und
dem Wehr 14 dar. Dazu wird je eine der Metallschienen 84 auf jeder
Seite 110, 112 des Ufers fixiert. In der Metallschiene 84 sind
Gewindelöcher vorgesehen. An dem Gestell 82 sind
plattenförmige Ausleger 90 vorgesehen, die auf
den Metallschienen 84 aufliegen. In den plattenförmigen
Auslegern 90 sind Langlöcher vorgesehen. Die Langlöcher
liegen über den korrespondierenden Gewindelöchern.
Durch die einstellbare Befestigung lasst sich die Lage der Turbine 28 gegenüber
dem Wehr 14 einstellen. Die Lage der Achse 24 der
Turbine 28 relativ zur Wasseroberfläche ist ebenfalls
einstellbar. Hierzu wird das Gestell 82 in der Höhe
angepasst.
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Das
Gestell 82 überspannt die Strecke von einem Ufer 110 zum
anderen Ufer 112. Dabei hat es ein U-förmiges
Profil. Das U-Profil besteht aus einer Unterseite, an der die Turbine
befestigt ist und zwei Seitenteilen 85. Jedes der Seitenteile
besteht aus zwei Teilen 86, 88, die über
eine Langlochverbindung miteinander verschraubt sind. Dadurch lässt
sich die Länge der Seiten einstellen. An einem der zwei
Teile 86 einer Seite ist der plattenförmige Ausleger 90 vorgesehen,
der auf den Schienen 84 aufliegt, die am Ufer befestigt
sind.
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Durch
die Rotationsbewegung des Rotors 30 gegenüber
dem Stator 104 wird in jedem Polpaar 116 des Stators
eine Spannung induziert. Die induzierte elektrische Spannung wird
an den Kabeln 66 abgegriffen und mittels eines Frequenzwandlers 96 an
die Frequenz des Stromnetzes angepasst. Die erzeugte elektrische
Energie wird mit einem Sensor 98 erfasst. Es sind Mittel 100 zur
Steuerung und Regelung der vom Sensor 98 erfasstem Messwerte
vorgesehen, die die erzeugte elektrische Energie mit einem Erwartungswert
vergleichen und bei Abweichungen ein Signal an einem Signalgeber 102 geben.
Dies ist in 5 gezeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007003618
A1 [0002]