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Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage, mit deren Hilfe mechanische oder elektrische Energie aus fließenden Wasser gewonnen wird.
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Stand der Technik
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Um aus fließendem Wasser mechanische oder elektrische Energie zu erzeugen, gibt es 10bereits viele verschiedene Vorrichtungen, wie z. B. Wasserräder, Turbinen, Vertikal- oder Horizontalpropeller, die als Baueinheit ortsfest am Ufer oder am Flussboden verankert sind, oder auch schwimmende Einrichtungen, die am Ufer oder Grund eines Flusses oder Meeresbodens verankert sind.
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In der
EP 0 283 439 A2 ist eine Vorrichtung beschrieben, die zur Umwandlung von Energie eines strömungsfähigen Mediums in ein Drehmoment dient. Hier wird von einer halben Würfelgürtelkette mit Gelenkarmen berichtet.
1 und
9 dieser Druckschrift zeigen Drehstäbe
1 und
2, die über Flügel
11 und
12 angetrieben werden. In
9 ist zudem eine am Stab
2 befestigte Keilriemenscheibe gezeigt, über die mittels eines 20Riemens
26 eine Antriebskraft auf einen Generator M übertragen werden soll. Die Flügel
11 und
12 sind dabei immer vom umströmenden Medium (Wasser oder Luft) umgeben.
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In der
EP 2 305 557 A2 handelt es sich um ein Schaufelrad mit drehbaren Schaufeln und ein Verfahren zur Verstellung der Schaufeln. Die Schaufeln nehmen im Arbeitsbereich eine 25senkrechte Stellung ein und außerhalb des Wassers eine zum Schaufelrad tangentiale Stellung. Die als Schaufeln 1a-f bezeichneten Elemente sind im Wesentlichen flache, ebene Platten, die vom Prinzip her wie bei einem unterschlächtigen Mühlrad wirken, wobei die sogenannten Schaufeln hier um jeweilige Schaufelwellen 9 drehbar sind.
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Ein weiteres Strömungskraftwerk ist in der
EP 2 587 049 B1 beschrieben. Hier handelt es sich um ein Fließwasserkraftwerk und ein Verfahren zur Umwandlung der Strömung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in mechanische oder elektrische Energie. Eine nahezu horizontale Platte
30 oder ein flügelförmig geformtes Profil ist unter Wasser an dem vorderen, stromaufwärts befindlichen Ende über eine Halteeinrichtung
20 befestigt und am hinteren Ende über Seile
11 festgemacht. Im Zusammenspiel zwischen einem SSchwungrad
40 und den Halteseilen
11 soll der Platte
30 eine wippende Bewegung verliehen werden, die dafür sorgt, dass die Vorderkante der Platte
30 am oberen Totpunkt T1 wieder nach unten wandert und am unteren Totpunkt T2 nach oben. Es wird also abwechselnd die Ober- bzw. Unterseite der Platte angeströmt, wodurch die Strömungsbewegung des Wassers eine Kurbelwelle
41 oberhalb des Wassers antreibt.
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In der
EP 2 470 781 B1 handelt es sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oszillation eines Flügels in einer sich bewegenden Flüssigkeit. Eine flügelähnliche Profilplatte wird im Wasser über zwei Kurbelwellen sowohl in der Höhe als auch im Neigungswinkel verstellt. Durch die Wasserströmung entsteht ein Oszillationsschub an der 15Platte, der über ein Pleuel die zwei Kurbelwellen in Drehung versetzt.
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Die Druckschriften
EP 0 283 439 A2 ,
EP 2 587 049 B1 und
EP 2 470 781 B1 zeigen Vorrichtungen, bei denen die Elemente, welche die Strömungsenergie des Wassers nutzen, über den gesamten Arbeitszyklus eingetaucht sind. Nur bei der der
EP 2 305 557 20A2 , die als nächstkommender Stand der Technik angesehen wird, verlassen die Platten beim Leerhub das Wasser.
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Grundsätzlich geht es darum, den Wirkungsgrad solcher Anlagen zu verbessern. Wenn die Elemente, die die Strömungsenergie des Wassers aufnehmen, stets unter Wasser sind, 25bedeutet dies immer eine Reduzierung des Wirkungsgrads, weil sie beim Leerhub durch das Wasser bewegt werden müssen, wobei Energie verbraucht wird. Bei dem Schaufelrad gemäß
EP 2 305 557 A2 tauchen die Schaufeln zwar aus dem Wasser heraus, aber hier besteht immer noch der Nachteil, dass das Ansteuerungsgestänge, das den Winkel der
Schaufeln festlegt, teilweise unter Wasser ist. Dadurch ergibt sich unvermeidlich eine 30Verringerung des Wirkungsgrads.
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Dieses Problem wird durch die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Schutzansprüchen.
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Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die kinetische Energie des fließenden Wassers auf die eintauchenden und sich in Fließrichtung bewegenden Prallplatten übertragen, wobei das gesamte kinematische System zur Halterung und Bewegungssteuerung der Prallplatten stets oberhalb der Wasserlinie ist. Der an den Prallplatten entstehende Schub wird, bestimmt von deren Abmessungen, Formgebung 10und Größe, über die Hauptarme direkt auf die Kurbelwelle oberhalb des Wassers übertragen. Das dadurch entstehende Drehmoment an der Kurbelwelle kann rein mechanisch genutzt werden oder über eine Antriebseinheit einen Generator antreiben, der elektrische Energie erzeugt.
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Dieses Prinzip kann auch umgekehrt und dann als Bootsantrieb genutzt werden, d.h. auf die Kurbelwelle wird von einem Motor ein Drehmoment aufgebracht, wodurch die im Wasser eingetauchten Prallplatten ihren Schub entwickeln.
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Vorteilhaft sind zwei um 180 Grad versetzte Kurbelarme vorgesehen, um den Schub von 20zwei Prallplatten nacheinander zu nutzen. Von Vorteil ist eine große Masse der Kurbelarme, die als Schwungmasse dienen, um eine kontinuierliche Drehung der Kurbelwelle zu gewährleisten, damit die Prallplatten zu jedem Zeitpunkt eine möglichst gleichbleibende Geschwindigkeit haben, d.h. sowohl beim Arbeitshub unter Wasser als auch beim Leerhub über Wasser. Die Prallplatten sind einseitig an den Hauptarmen 25befestigt, damit sie sich übereinander und aneinander vorbei bewegen können, was den Vorteil hat, dass man auch die Wasserenergie von schmalen Flussläufen nutzen kann. Man erhält durch diese Konstruktion eine sehr kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Um in Flussläufen mit stetig veränderlichem Wasser-Niveau immer die geeignete Höhe der Wasseroberfläche zur Vorrichtung einzuhalten, ist es von Vorteil, die Vorrichtung auf einem schwimmenden Gerät (optional in der Höhe einstellbar) zu platzieren, damit die zurücklaufenden Prallplatten oder Schaufeln sich völlig frei und ungehindert über der Wasserlinie bewegen können. Das schwimmende Gerät muss ortsfest durch Taue gehalten werden und kann z.B. ein Katamaran oder ein Schwimmponton sein, in dessen freier Mitte die Prallplatten der Vorrichtung ins Wasser eintauchen können.
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Diese Vorrichtung kann man auch an einem Wasserfall einsetzen, wenn sie um 90 Grad gedreht wird, so dass das Wasser von oben statt von der Seite auf die Prallplatten stößt. Je nach Fallhöhe des Wassers bis zur Vorrichtung ist die Aufprallgeschwindigkeit des Wassers auf die Prallplatten entsprechend viel höher als bei fließendem Wasser. Die erzeugte Leistung N geht mit der 3. Potenz der Fließgeschwindigkeit (=V3) und linear mit 10der Aufprallfläche F ein. Dieses Gesetz gilt sowohl für das Szenario mit dem Wasserfall und auch für horizontal fließendes Wasser: N=1/2p*(V3)*F*cp. Dabei ist: p = Dichte des Mediums; V = Fließgeschwindigkeit; F = Fläche der Aufprallplatte; cp = Beiwert
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Figurenliste
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- 15Fig. 1 zeigt das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Bewegungsbahn 21;
- 2 ist eine Seitenansicht von 1 in Pfeilrichtung 20;
- 3 ist eine Seitenansicht wie 2, jedoch die Kurbelhebel 5 und 6 um 90 Grad gedreht;
- 20Fig. 4 ist eine Draufsicht einer Hintereinanderschaltung von zwei Anlagen Block C und Block D; und
- 5 ist eine Draufsicht einer Parallelschaltung von zwei Anlagen Block C und Block D.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die Vorrichtung nach 1, 2 und 3 besteht aus einer doppelarmigen Kurbelwelle (4, 5, 6) mit einem Kurbelarm 5 und Kurbelarm 6, die um 180 Grad versetzt auf einer Lagerwelle 4 befestigt sind. Die Lagerwelle 4 ist in einem Lagerbock 1 drehbar gelagert. An dem Kurbelarm 5 ist eine Zahnriemenscheibe 27 befestigt, welche über einen Zahnriemen 28 und über eine Zahnriemenscheibe 29 einen Generator 30 antreibt. An dem 30Kurbelarm 5 ist an seinem anderen Ende ein Hauptarm 9 über einen Bundbolzen 7 gelenkig gelagert. An dem Kurbelarm 6 ist an seinem anderen Ende ein Hauptarm 10 über einen Bundbolzen 8 gelenkig gelagert. Der Hauptarm 9 ist etwas oberhalb der Mitte über einen Kopfbolzen 11 an einem Gelenkarm 13 nochmals gelenkig gelagert. Der Gelenkarm 13 ist am anderen Ende über einen Lagerbolzen 15 an einem Lagerbock 2 ebenfalls gelenkig gelagert.
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Am unteren Ende des Hauptarmes 9 ist eine Prallplatte 17 einseitig stabil befestigt. Dies ist zum Beispiel in 3 sehr gut zu erkennen. Hier sieht man die Prallplatte 17, die gerade unter Wasser ist und Arbeit leistet, und die Prallplatte 18, die oberhalb des Wasserspiegels ist und einen Leerhub ausführt. Die beiden Prallplatten 17, 18 sind jeweils einseitig eingespannt und bewegen sich übereinander und aneinander vorbei. Die 10Prallplatten können auch gewölbt sein, so dass sie einen besseren Einfangquerschriitt für das Wasser haben. Durch diese gewölbte Ausführung der Prallplatten ergeben sich Schaufeln, die zusätzlich eine Auftriebswirkung beim Auftauchen aus dem Wasser und Eintauchen in das Wasser zeigen.
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Der Hauptarm 10 ist spiegelbildlich zum Hauptarm 9 etwas oberhalb der Mitte über einen Kopfbolzen 12 an einem Gelenkarm 14 nochmal gelenkig gelagert. Der Gelenkarm 14 ist am anderen Ende über einen Lagerbolzen 16 an einem Lagerbock 3 ebenfalls gelenkig gelagert. Am unteren Ende des Hauptarmes 10 ist die Prallplatte 18 einseitig stabil befestigt. Bewegt sich die doppelarmige Kurbelwelle, aus der Stellung wie in 1 20dargestellt in Richtung Pfeil 22, so taucht die Unterkante der am Hauptarm 9 befindlichen Prallplatte 17 durch die Wasseroberfläche 19 in das fließende Wasser ein und die Unterkante 9a des Hauptarmes 9 bewegt sich in Richtung des Pfeils 23 auf einer Bewegungsbahn 21. Gleichzeitig bewegt sich die Prallplatte 18 mit ihrer Unterkante oberhalb der Wasseroberfläche 19 auf der Bewegungsbahn 21 in Richtung zur Position 2525.
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Nach einer Drehung der Kurbelwelle aus der Startstellung wie 1 um 90 Grad in Richtung des Pfeils 22 ist die in 3 dargestellte Stellung erreicht. Die Unterkante der Prallplatte 17 befindet sich dann in der Position 26 und die Prallplatte 18 mit ihrer 30Unterkante in der Position 25. Nach einer weiteren Drehung der Kurbelwelle um 180 Grad in Richtung des Pfeils 22 gelangt die Unterkante der Prallplatte 17 auf die Position 25 und die Unterkante der Prallplatte 18 auf die Position 26. Das Eintauchen der Unterkante der Prallplatten 17 und 18 in das Wasser ab der Wasseroberfläche 19 bis Position 26 entspricht dem Weg S2= Position 37 in 1 = ¾ des Gesamthubes S=S1+S2. Das Abheben der Unterkante der Prallplatten 17 und 18 ab der Wasseroberfläche 19 bis zur Position 25 ist der Weg S1 gleich Pos. 36 = ¼ des Gesamthubes S=S1+S2, siehe 1.
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Die Bewegungsbahn 21 ergibt sich zwangsläufig aus der Konstruktion, da die Kurbelwelle 5mit den Kurbelarmen 5 und 6 oberhalb der Gelenkarme 13 und 14 angeordnet ist. Diese Bewegungsbahn ist insofern vorteilhaft und interessant, da der Arbeitsweg der Prallplatten oder Schaufeln unter Wasser relativ lang im Vergleich zum Leerhub der Prallplatten über Wasser ist.
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Will man mit dieser Einrichtung die Energie optimal dem fließenden Wasser entziehen, ist es von Vorteil, zwei dieser vorab beschriebenen Vorrichtungen hintereinander zu schalten (siehe Block C und D in 4) oder parallel zu schalten (siehe Block C und D in 5). In beiden Anordnungen gemäß 4 und 5 ist es wichtig, die beiden Vorrichtungen mechanisch über eine Antriebseinheit formschlüssig miteinander zu verbinden. Der 15Zahnriemen 35 in 4 und die Zahnriemen 43 und 44 in 5 müssen so aufgelegt werden, das die Kurbelarme 5 und 6 in Block D um 90 Grad versetzt sind zu Block C. Dadurch wird erreicht, dass eine Prallplatte 17 oder 18 sich immer voll im Wasser befindet oder dass 2 Prallplatten sich zum Teil im Wasser befinden. Damit wird ein kontinuierliche Drehbewegung erreicht. Das Drehmoment wird vom Block D in 4 über die 20Zahnriemenscheibe 33 mittels des Zahnriemens 35 auf die Zahnriemenscheibe 33 in Block C übertragen. Das Gesamtdrehmoment von Block D und C wird dann über die Zahnriemenscheibe 27 mittels des Zahnriemens 28 über die Zahnriemenscheibe 29 auf den Generator 30 übertragen.
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In 5 wird das Drehmoment von Block C über die Zahnriemenscheibe 27 mittels des Zahnriemens 43 auf die Zahnriemenscheibe 41 übertragen, welche auf der Zwischenwelle 40 befestigt ist. Das Drehmoment in Block D von 5 wird über die Zahnriemenscheibe 33 mittels des Zahnriemen 44 auf die Zahnriemenscheibe 42 übertragen, welche ebenfalls auf der Zwischenwelle 40 befestigt ist.
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Die Zwischenwelle 40 ist in den Lagerböcken 38 und 39 drehbar gelagert. Das Gesamtdrehmoment wird dann von der Zwischenwelle 40 über die Wellenkupplung 45 auf den Generator 30 übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerbock, ortsfest, für Kurbelwelle
- 2
- Lagerbock, ortsfest, für Gelenkarm 13
- 3
- Lagerbock, ortsfest, für Gelenkarm 14
- 54
- Lagerwelle für Kurbelarm 5 und 6
- 5
- Kurbelarm vorn in 1 und rechts in 2 und 3
- 6
- Kurbelarm hinten in 1 und links in 2 und 3
- 7
- Bundbolzen an Kurbelarm 5 und Hauptarm 9
- 8
- Bundbolzen an Kurbelarm 6 und Hauptarm 10
- 109
- Hauptarm rechts in 2 und 3
- 9a
- Unterkante Hauptarm 9 in 1 und 3
- 10
- Hauptarm links in 2 und 3
- 10a
- Unterkante Hauptarm 10 in 1 und 3
- 11
- Kopfbolzen am Gelenkarm 13 und Hauptarm 9
- 1511a
- Bewegungsbahn 11
- 12
- Kopfbolzen am Gelenkarm 14 und Hauptarm 10
- 12a
- Bewegungsbahn 12
- 13
- Gelenkarm rechts in 2 und 3
- 14
- Gelenkarm links in 2 und 3
- 2015
- Lagerbolzen am Lagerbock 2 und Gelenkarm 13
- 16
- Lagerbolzen am Lagerbock 3 und Gelenkarm 14
- 17
- Prallplatte am Hauptarm 9
- 18
- Prallplatte am Hauptarm 10
- 19
- Wasseroberfläche
- 2520
- Blickrichtung Pfeil in 1 für 2 und 3
- 21
- Bewegungsbahn der Unterkante 9a und 10a der Hauptarme 9 und 10
- 22
- Drehbewegungsrichtung der Kurbelarme 5 und 6
- 23
- Bewegungsrichtung der Unterkanten 9a und 10a der Hauptarme 9 und 10
- 24
- Wasserflussrichtung gemäß Pfeilrichtung
- 25
- Oberer Totpunkt der Prallplatten 17 und 18
- 26
- Unterer Totpunkt der Prallplatten 17 und 18
- 27
- Zahnriemenscheibe, am Kurbelarm 5 befestigt
- 28
- Zahnriemen
- 529
- Zahnriemenscheibe am Generator auf Welle 31
- 30
- Generator oder Motor
- 31
- Generatorwelle oder Motorwelle
- 32
- Klemmschraube für alle Klemmnaben in den Hebeln
- 33
- Zahnriemenscheibe am Kurbelarm 6 befestigt
- 1034
- Stellring auf Lagerbolzen 15 und 16
- 35
- Zahnriemen zur Drehmomentübertragung von Block D zu Block C in 4
- 36
- Maximaler Austauchweg S1 oberhalb der Wasseroberfläche 19 der Prallplatten
- 17/18
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- 37
- Maximaler Eintauchweg S2 unterhalb der Wasseroberfläche der Prallplatten 17 und
- 1518
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- 38/39
- Lagerböcke für Zwischenwelle 40
- 40
- Zwischenwelle 5
- 41/42
- Zahnriemenscheibe
- 43/44
- Zahnriemen
- 2045
- Wellenkupplung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0283439 A2 [0003, 0007]
- EP 2305557 A2 [0004, 0008]
- EP 2587049 B1 [0005, 0007]
- EP 2470781 B1 [0006, 0007]
- EP 230555720 A2 [0007]