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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem
strömenden
Fluid, mit einer Vielzahl von Schaufeln, die hintereinander an mindestens
einem endlosen Förderelement schwenkbar
gelagert sind, das um zwei im Abstand voneinander angeordnete Umlenkeinrichtungen
herum verläuft,
wobei das mindestens eine endlose Förderelement zwei parallele
und im Wesentlichen in Strömungsrichtung
des Fluids anzuordnende Trumms bildet, die sich von einer der beiden
Umlenkeinrichtungen zur anderen erstrecken, wobei die momentan an
einem ersten Trumm befindlichen Schaufeln durch das Fluid in eine
Stellung getrieben werden, in der sie dem Fluid einen Widerstand
darbieten, und die momentan an einem zweiten Trumm befindlichen
Schaufeln in eine zu diesem Trumm parallele Stellung schwenkbar
sind.
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Eine
derartige Vorrichtung aus der
DE 33 46 634 A1 bekannt. Die darin beschriebene
Unterwasserkraftanlage dient zur Gewinnung von elektrischer Energie
aus ungestauten Flüssen
und wird zu diesem Zweck auf einen Flussgrund gesetzt und dort verankert.
Das anströmende
Flusswasser drückt
auf Schaufeln, die an einem endlosen Transportband angebracht sind,
das um zwei Umlenkrollen umläuft, und
die mechanische Energie, die das anströmende Flusswasser über die
Schaufeln auf das Transportband und dann die Umlenkrollen überträgt, wird
von einer der Umlenkrollen über
eine Welle auf einen Stromgenerator übertragen und dort in elektrischen Strom
umgewandelt. Die rücklaufenden
Schaufeln klappen an das Transportband an, um dem Flusswasser möglichst
wenig Widerstand zu bieten.
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Aus
Patent Abstracts of Japan 560 77 564 A ist eine ähnliche Vorrichtung mit um
Kettenräder
umlaufenden Ketten statt eines Transportbandes bekannt.
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Da
bei den beiden oben genannten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik
die Schaufeln zur Außenseite
des Transportbandes bzw. der Ketten klappen, wenn sie die Umlenkrollen
bzw. Kettenräder passieren,
nimmt die Vorrichtung viel Platz im Strömungsquerschnitt des Fluids
in Anspruch. Außerdem gibt
es an den Rändern
der Schaufeln viel freien Raum, in dem das Fluid an den Schaufeln
vorbeiströmen
kann, statt diese anzutreiben, auch wenn dieser freie Raum in einem
gewissen Abstand z.B. durch den Flussgrund begrenzt wird, wie in
der zuerst genannten Druckschrift gezeigt, da dieser Abstand aus konstruktiven
Gründen
nicht beliebig klein gemacht werden kann. Dies verschlechtert den
Wirkungsgrad der Vorrichtungen. Außerdem klappen die Schaufeln bei
der Umkehr der Bewegungsrichtung schlagartig um, was hohe Anforderungen
an die Haltbarkeit der Lager und Widerlager der Schaufeln stellt.
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Die
DE 101 62 516 A1 betrifft
eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem strömenden Fluid,
deren Schaufeln mit Ketten in Eingriff stehen und bei Umkehr der
Bewegungsrichtung sanft, aber auf eine sehr komplizierte Weise gewendet
werden. Diese Vorrichtung wird quer zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet
und nutzt die Strömungsenergie
ebenfalls nur teilweise aus, da es zwischen den Schaufeln große Lücken gibt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energiegewinnung
aus einem strömenden
Fluid bereitzustellen, die die einem gegebenen Strömungsquerschnitt
innewohnende Strömungsenergie
möglichst
gut ausnutzt, die kompakt aufgebaut ist und deren Schaufeln im Betrieb
sanft umklappen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
die Schaufeln in Richtung auf das Innere des mindestens einen endlosen
Förderelements
frei schwenkbar gelagert sind und dass mindestens ein langgestrecktes
Schaufelführungsglied
vorgesehen ist, das sich von einer der beiden Umlenkeinrichtungen
parallel zu und zwischen den beiden Trumms bis zu der anderen Umlenkeinrichtung
erstreckt, wobei der Abstand des Schaufelführungsglieds von dem ersten
Trumm kleiner als die Länge
der Schaufeln und größer als
ungefähr
die halbe Länge
der Schaufeln ist, so dass das Schaufelführungsglied einen Anschlag
für die
momentan an dem ersten Trumm befindlichen Schaufeln bildet.
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Die
nach innen schwenkbaren Schaufeln und das Schaufelführungsglied
wirken wie folgt zusammen.
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Erstens
gleitet oder rollt eine Schaufel, die von dem zweiten Trumm um die
in Strömungsrichtung
vordere Umlenkeinrichtung herum zum ersten Trumm geleitet wird,
auf dem in Strömungsrichtung liegenden
Ende des Schaufelführungsglieds
ab, wobei sie im Zusammenwirken mit der Fluidströmung sanft aus der zum zweiten
Trumm parallelen Stellung um mehr als 90 Grad in eine Stellung schwenkt,
in der sie sich schräg
zur Strömungsrichtung
zwischen dem ersten Trumm und dem Schaufelführungsglied erstreckt.
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Zweitens,
in dieser schrägen
Stellung versperrt die Schaufel den zwischen dem ersten Trumm und
dem Schaufelführungsglied
vorhandenen Strömungsweg
praktisch vollständig
und wird durch den Fluiddruck stabil in ihrer Schrägstellung
gehalten, während
sie vom Fluid in Richtung auf die in Strömungsrichtung hintere Umlenkeinrichtung
geschoben wird und dabei die Fördereinrichtungen
und Umlenkeinrichtungen antreibt.
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Drittens,
sobald die Schaufel am Ende ihrer Antriebsstrecke entlang des ersten
Trumms den Kontakt mit dem Schaufelführungsglied verliert, ist sie wieder
frei drehbar und wird durch die Strömung in die Strömungsrichtung
geschwenkt. Anschließend wird
sie um die in Strömungsrichtung
hintere Umlenkeinrichtung herum und mit dem zweiten Trumm wieder
zur in Strömungsrichtung
vorderen Umlenkeinrichtung befördert.
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Die
auf der Antriebsstrecke erzeugte Antriebskraft wird teilweise zum
Zurückbefördern und Wenden
der Schaufeln verbraucht und kann im Übrigen an einer der Umlenkeinrichtungen
abgenommen und z.B. einem Stromgenerator zugeführt werden.
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Vorzugsweise
ist jedes endlose Förderelement
eine Kette und weisen die Umlenkeinrichtungen jeweils eine entsprechende
Anzahl von koaxialen Kettenrädern
auf. Zum Beispiel hat man zwei Kettenradsätze als Umlenkeinrichtungen
und zwei um die Kettenräder
umlaufende Ketten, zwischen denen die Schaufeln in regelmäßigen Abständen angebracht sind.
Unter Umständen
genügt
aber auch eine einzige Kette, an der die Schaufeln z.B. auf Stehbolzen gelagert
sind.
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Ketten
und Kettenräder
haben den Vorteil, dass der zwischen dem ersten Trumm und dem Schaufelführungsglied
vorhandene Strömungsweg vom
Fluid ungehindert angeströmt
und verlassen werden kann und dass es sie in Materialkombinationen
gibt, die für
einen Betrieb in Wasser geeignet sind. Außerdem sind Ketten gut dafür geeignet,
die von Fluid angeströmten
Schaufeln in ihrer Lage zu halten.
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Um
die Reibungsverluste in der Vorrichtung zu minimieren, stellt man
das Schaufelführungsglied vorzugsweise
aus einem Material her, das eine geringen Gleitreibungskoeffizienten
mit dem Material der Schaufeln hat, oder man beschichtet mindestens
den Bereich, in dem das Schaufelführungsglied mit den Schaufeln
Kontakt hat, mit so einem Material. Alternativ oder zusätzlich kann
man das von ihrem Lager am endlosen Förderelement entfernte Ende
jeder Schaufel mit mindestens einer Rolle versehen, die auf dem
Schaufelführungsglied
abrollt, während
sich die Schaufel den ersten Trumm entlang bewegt.
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Je
geringer die Reibung zwischen den Schaufeln und dem Schaufelführungsglied
ist, desto stärker
kann man die Schräglage
der Schaufeln zur Strömungsrichtung
wählen,
während
sich die Schaufeln zwischen dem ersten Trumm und dem Schaufelführungsglied
bewegen, und desto größer wird
der Wirkungsquerschnitt der Vorrichtung bei gegebener Schaufelgröße.
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Wenn
man entlang des zweiten Trumms gegenüber dem Schaufelführungsglied
eine äußere Schaufelführungsplatte
anordnet, die mindestens ungefähr
die Länge
des Schaufelführungsglieds
hat, können
die Schaufeln auf ihrem Rückweg
zur in Strömungsrichtung
vorderen Umlenkeinrichtung stabil geführt werden, und wenn die Schaufeln
ebene Platten sind, vorzugsweise rechteckige ebene Platten, kann
man die Lücke
zwischen dem Schaufelführungsglied
und der äußeren Schaufelführungsplatte sehr
klein machen, womit der Energieaufwand zum Zurückbefördern der Schaufeln sehr gering
wird.
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Der
Abstand zwischen den Stellen, an denen die Schaufeln am endlosen
Förderelement
gelagert sind, darf höchstens
so groß sein
wie die Länge
des Schaufelführungsglieds,
damit stets mindestens eine Schaufel Antriebskraft liefert, und
außerdem
ist die Länge
der Schaufeln in Strömungsrichtung
vorzugsweise kleiner als der Abstand von Schaufellager zu Schaufellager,
damit sich die Schaufeln beim Rücktransport
und Wenden der Schaufeln nicht gegenseitig behindern.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
genügt ein
einziges Schaufelführungsglied.
Die Schaufeln können
breiter sein als das Schaufelführungsglied, d.h.
seitlich davon vorstehen bzw. überhängen. Alternativ
kann sich ein Schaufelführungsglied über die ganze
Breite der Schaufeln erstrecken, wodurch sich eine Selbstabdichtung
zwischen Schaufeln und Schaufelführungsglied
ergibt, die es erlaubt, auch größere Druckdifferenzen
im Fluid möglichst
verlustfrei auszunutzen. Auch können
mehrere Schaufelführungsglieder über die
Schaufelbreite verteilt angeordnet sein.
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Wenn
man die Vorrichtung mit einer in Strömungsrichtung des Fluids langgestreckten
und an ihren Enden offenen Hülle
umschließt,
welche die Strömung
des Fluids im Wesentlichen auf den Raum zwischen den beiden Trumms
konzentriert und/oder einschränkt,
hat man eine besonders kompakte Anordnung, die ohne besondere wasserbauliche
Maßnahmen
auf dem Grund eines Fließgewässers verankert werden
kann. Außerdem
ist es möglich,
die Vorrichtung nicht nur in der Strömungsrichtung eines Fließgewässers anzuordnen,
etwa waagerecht auf einem Flußgrund
oder senkrecht an einem Überlaufwehr, sondern
in beliebiger Lage zwischen zwei unter Wasser liegenden Stellen,
zwischen denen ein Druckun terschied besteht. So kann die Vorrichtung
z.B. waagerecht oder schräg
durch ein Wehr oder eine Staumauer hindurchgehen und nicht nur die
kinetische Energie des durch den Querschnitt der Hülle strömenden Wassers
ausnutzen, sondern auch dessen potentielle Energie, welche die kinetische
Energie um ein Vielfaches übersteigen
kann.
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Normalerweise
wird man die Vorrichtung zur Stromerzeugung nutzen, indem man mindestens eine
der Umlenkeinrichtungen über
eine Welle und ggf. ein Getriebe mit einem Stromgenerator koppelt. Statt
die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, kann
man die mit der Vorrichtung erzeugte Drehkraft aber auch direkt
nutzen, etwa zum automatischen Antrieb des Hebens oder Senkens eines
Wehres in Abhängigkeit
von der Fließgeschwindigkeit
und/oder Fließrichtung
und/oder Stauhöhe
eines Fließgewässers. Zum
Beispiel bei einem Wehr, das in einem Deich eingebaut ist, durch
den sich ein Fließgewässer ins
Meer ergießt,
könnte
das Wehr über
ein Getriebe selbsttätig
geschlossen werden, sobald das Wasser bei Flut seine Strömungsrichtung umkehrt
und ins Landesinnere zu fließen
beginnt.
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Die
Größe der Vorrichtung
ist prinzipiell unbeschränkt,
sowohl nach oben als auch nach unten, und richtet sich allein nach
den örtlichen
Gegebenheiten. Außerdem
kann man eine Vielzahl solcher Vorrichtungen parallel oder hintereinander
anordnen.
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Wie
sich aus dem Obigen ergibt, ist die Vorrichtung vorzugsweise in
Wasser einsetzbar. Prinzipiell ist sie aber auch für andere
Fluide einschließlich strömenden Gasen
geeignet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Deren
einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus strömendem Wasser
mit nach innen schwenkbaren Schaufeln und einem Schaufelführungsglied,
und zwar oben in einer Schnittansicht von der Seite und unten in
einer damit fluchtenden Draufsicht durch die Gehäuseoberseite hindurch.
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Die
Vorrichtung hat ein Gehäuse 2 in
Form eines langgestreckten Kastens mit rechteckigem Querschnitt
und offenen Enden, der in einem Fließgewässer angeordnet wird, dessen
allgemeine Strömungsrichtung
mit einem Pfeil innerhalb des Gehäuses 2 eingezeichnet
ist.
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Nahe
am in Strömungsrichtung
vorderen Ende des Gehäuses 2 erstreckt
sich eine Welle 4 durch das Gehäuse 2, die in Lagern 6, 8 drehbar
gelagert ist, die außen
am Gehäuse 2 befestigt
sind. Innerhalb des Gehäuses 2 trägt die Welle 4 zwei
Kettenräder 10, 12,
die jeweils nahe an der Gehäusewand
liegen. Nahe am in Strömungsrichtung
hinteren Ende des Gehäuses 2 erstreckt
sich eine Welle 4' durch
das Gehäuse 2,
die in Lagern 6', 8' drehbar gelagert
ist, die außen
am Gehäuse 2 befestigt
sind. Innerhalb des Gehäuses 2 trägt die Welle 4' zwei Kettenräder 10', 12', die jeweils
nahe an der Gehäusewand
liegen.
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Um
die beiden in einer Ebene liegenden Kettenräder 10, 10' herum verläuft eine
straft gespannte endlose Kette 14, z.B. eine Rollen- oder
Zahnkette, die mit den Kettenrädern 10, 10' in Eingriff
steht. Um die beiden anderen in einer Ebene liegenden Kettenräder 12, 12' herum verläuft eine
weitere endlose Kette 16, die mit den Kettenrädern 12, 12' in Eingriff steht.
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Die
Welle 4, die Lager 6, 8 und die Kettenräder 10, 12 bilden
eine in Strömungsrichtung
vordere Umlenkeinrichtung, und die Welle 4', die Lager 6', 8' und die Kettenräder 10', 12' bilden eine
in Strömungsrichtung
hintere Umlenkeinrichtung.
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Die
Welle 4 der in Strömungsrichtung
vorderen Umlenkeinrichtung trägt
außerdem
ein Zahnrad 18, das außerhalb
des Gehäuses 2 angeordnet
ist und mit einem Ritzel 18' eines
nicht gezeigten Stromgenerators kämmt.
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Die
Ketten 14 und 16 bilden endlose Förderelemente
für eine
Vielzahl von Schaufeln 20 in Form von identischen ebenen
rechteckigen Platten, die jeweils in zwei Ecken frei drehbar in
regelmäßigen Abständen voneinander
zwischen den Ketten 14, 16 gelagert sind, und
zwar an Stehbolzen, die jeweils von den Ketten 14, 16 vorstehen,
oder an Stangen, die die Ketten 14, 16 miteinander
verbinden. Die Schaufeln 20 haben eine Breite zwischen
den Ketten 14 und 16, die ein wenig kleiner ist
als der freie Raum zwischen den Ketten 14 und 16,
und eine Länge,
die etwas kleiner ist als der Abstand zwischen zwei an den Ketten 14, 16 aufeinanderfolgenden
Schaufeln 20.
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Unmittelbar über den
in der Figur unteren Trumms der beiden Ketten 14 und 16 erstreckt
sich ein Schaufelführungsglied 22 in
Form einer ebenen rechteckigen Platte mit abgeschrägter und
abgerundeter Vorderkante zwischen den beiden Ketten 14 und 16.
Das Schaufelführungsglied 22 hat
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Breite B, die wesentlich kleiner ist als die Breite der Schaufeln 20,
es kann aber auch ebenso breit wie die Schaufeln 20 sein,
in welchem Fall sich eine Selbstabdichtung zwischen Schaufel 20 und
Schaufelführungsglied 22 ergäbe. Das
Schaufelführungsglied 22 erstreckt
sich der Länge
nach von einem Punkt ungefähr
auf der Höhe
der Welle 4 der in Strömungsrichtung
vorderen Umlenkeinrichtung bis zu einem Punkt ungefähr auf der Höhe des in
Strömungsrichtung
vorderen Randes des Kettenrades 12. Das Schaufelführungsglied 22 hat
eine gewisse Dicke D, und die Schaufeln 20 sind so lang,
dass die Summe von Schaufellänge
und Dicke D des Schaufelführungsglieds 22 größer als
der Abstand zwischen den beiden Trumms der Ketten 14, 16 ist,
welcher im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der Kettenräder 10, 12 ist.
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Unmittelbar
unter den in der Figur unteren Trumms der beiden Ketten 14 und 16 erstreckt
sich eine äußere Schaufelführungsplatte 24 in
Form einer ebenen rechteckigen Platte, die ebenso breit wie das Schaufelführungsglied 22 ist, über die
ganze Länge des
Gehäuses 2.
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Das
Schaufelführungsglied 22 und
die äußere Schaufelführungsplatte 24 bestehen
z.B. aus Teflon® oder
sind damit beschichtet, insbesondere an den Stellen, an denen sie
mit den Schaufeln 20 Kontakt haben. Das Schaufelführungsglied 22 und
die äußere Schaufelführungsplatte 24 erstrecken
sich parallel zueinander in einem Abstand, der so groß ist, dass
eine Schaufel 20 mit Spiel hindurchpasst.
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Auf
die in Strömungsrichtung
vorderste Schaufel 20 unter den Schaufeln 20,
die sich gerade an den in der Figur oberen Trumms der Ketten 14, 16 befinden, übt das Wasser
eine Kraft aus, die die Schaufel 20 in Strömungsrichtung
schiebt. Dabei wirkt das Schaufelführungsglied 22 als
Widerlager oder Anschlag für
die Schaufeln 20, die aufgrund ihrer Länge nicht am Schaufelführungsglied 22 vorbei klappen
können.
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Wird
die in der Figur in Strömungsrichtung vorderste
Schaufel 20 in Strömungsrichtung
geschoben, werden die Kettenräder 10, 12 und 10', 12' über die
Ketten 14, 16, an denen die Schaufel 20 gelagert ist,
gedreht. Dabei wird die dieser Schaufel 20 nachfolgende
Schaufel 20 aus dem Spalt zwischen dem Schaufelführungsglied 22 und
der äußeren Schaufelführungsplatte 24 herausgezogen
und im Verlauf ihrer durch die Kettenräder 10, 12 und
das Schaufelführungsglied 22 geführten Bewegung
in dieselbe Stellung gebracht, in der sich vorher die zuerst angetriebene
Schaufel 20 befand.
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Eine
Schaufel 20, die die in der Figur oberen Trumms der Ketten 14, 16 verlässt, gleitet
während ihrer
durch die Kettenräder 10', 12' geführten Bewegung
von der Hinterkante des Schaufelführungsglieds 22 ab,
schwenkt frei ungefähr
in die Strömungsrichtung,
wie eingezeichnet, und wird nachfolgend in den Spalt zwischen dem
Schaufelführungsglied 22 und
der äußeren Schaufelführungsplatte 24 gezogen
und wieder nach vorne befördert.
Diese Vorgänge
wiederholen sich fortlaufend, solange die Strömung anhält bzw. ein Druckunterschied
zwischen der Vorderseite (Einlassseite) und der Hinterseite (Auslassseite)
der Vorrichtung besteht.