Wasserradkonstruktion für Wasserkraft
Wasserkraft-Symbol: Wasserkraft ist eine Technologie, die die kinetische Energie von fließendem Wasser in mechanische oder elektrische Energie umwandelt. Eines der frühesten Geräte, das zur Umwandlung der Energie von fließendem Wasser in nutzbare Arbeit eingesetzt wurde, war das Wasserrad.
Die Konstruktion von Wasserrädern hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Einige Wasserräder sind vertikal, andere horizontal ausgerichtet, und manche sind mit aufwendigen Riemenscheiben und Zahnrädern versehen. Sie alle sind jedoch für die gleiche Funktion ausgelegt, nämlich „die lineare Bewegung des fließenden Wassers in eine Drehbewegung umzuwandeln, die zum Antreiben beliebiger Maschinenteile genutzt werden kann, die über eine rotierende Welle damit verbunden sind“.
Typisches Wasserraddesign
Die frühen Wasserräder waren recht primitive und einfache Maschinen, bestehend aus einem vertikalen Holzrad mit gleichmäßig um den Umfang befestigten Holzschaufeln oder -bechern, die alle auf einer horizontalen Welle gelagert waren. Die Kraft des darunter fließenden Wassers drückte das Rad tangential gegen die Schaufeln.
Diese vertikalen Wasserräder waren den früheren horizontalen Wasserrädern der alten Griechen und Ägypter deutlich überlegen, da sie die Bewegungsenergie des Wassers effizienter in Antriebskraft umwandelten. Mithilfe von Riemenscheiben und Zahnrädern konnte die Drehrichtung der Welle von horizontal auf vertikal geändert werden, um Mühlsteine anzutreiben, Holz zu sägen, Erz zu zerkleinern, zu stampfen, zu schneiden usw.
Arten von Wasserradkonstruktionen
Die meisten Wasserräder, auch Wassermühlen genannt, sind vertikal montierte Räder, die sich um eine horizontale Achse drehen. Diese Wasserradtypen werden danach klassifiziert, wie das Wasser relativ zur Achse auf das Rad aufgebracht wird. Wie zu erwarten, sind Wasserräder relativ große Maschinen, die sich mit niedrigen Winkelgeschwindigkeiten drehen und aufgrund von Reibungsverlusten und unvollständiger Schaufelfüllung etc. einen geringen Wirkungsgrad aufweisen.
Die Kraft des Wassers, das gegen die Schaufeln oder Schaufeln des Wasserrads drückt, erzeugt ein Drehmoment an der Achse. Durch die gezielte Lenkung des Wassers von verschiedenen Positionen am Rad auf die Schaufeln und Schaufeln lassen sich Drehzahl und Wirkungsgrad verbessern. Die zwei gebräuchlichsten Wasserradtypen sind das unterschlächtige und das oberschlächtige Wasserrad.
Unterschlächtiges Wasserraddesign
Das unterschlächtige Wasserrad, auch „Stromrad“ genannt, war die am häufigsten verwendete Art von Wasserrad, die von den alten Griechen und Römern entwickelt wurde, da es die einfachste, billigste und am leichtesten zu konstruierende Radart ist.
Bei dieser Art von Wasserradkonstruktion wird das Rad direkt in einen schnell fließenden Fluss eingesetzt und von oben gestützt. Die Bewegung des Wassers von unten erzeugt eine Schubkraft gegen die untergetauchten Schaufeln am unteren Teil des Rades, wodurch es sich nur in eine Richtung relativ zur Fließrichtung des Wassers dreht.
Diese Art von Wasserrad wird üblicherweise in flachen Gebieten ohne natürliches Gefälle oder bei ausreichend schnell fließendem Wasser eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Wasserradkonstruktionen ist sie sehr ineffizient, da nur etwa 20 % der potenziellen Energie des Wassers tatsächlich zur Drehung des Rades genutzt werden. Zudem wird die Energie des Wassers nur einmal zur Drehung des Rades verwendet, danach fließt sie mit dem restlichen Wasser ab.
Ein weiterer Nachteil des unterschlächtigen Wasserrads besteht darin, dass es große Wassermengen mit hoher Geschwindigkeit benötigt. Daher werden unterschlächtige Wasserräder üblicherweise an Flussufern aufgestellt, da kleinere Bäche oder Flüsse nicht über genügend potenzielle Energie im fließenden Wasser verfügen.
Eine Möglichkeit, die Effizienz eines unterschlächtigen Wasserrads leicht zu verbessern, besteht darin, einen Teil des Flusswassers durch einen schmalen Kanal oder eine Rinne abzuleiten, sodass das gesamte umgeleitete Wasser zum Drehen des Rades genutzt wird. Um dies zu erreichen, muss das unterschlächtige Rad schmal sein und sehr genau in den Kanal passen, damit das Wasser nicht seitlich austritt. Alternativ kann die Anzahl oder Größe der Schaufeln erhöht werden.
oberschlächtiges Wasserraddesign
Das oberschlächtige Wasserrad ist die gebräuchlichste Bauart. Es ist in Konstruktion und Design komplexer als das unterschlächtige Wasserrad, da es Schaufeln oder kleine Kammern zum Auffangen und Halten des Wassers verwendet.
Diese Eimer füllen sich mit Wasser, das von oben in das Rad einströmt. Das Gewicht des Wassers in den vollen Eimern bewirkt, dass sich das Rad um seine Mittelachse dreht, während die leeren Eimer auf der anderen Seite des Rades leichter werden.
Diese Art von Wasserrad nutzt die Schwerkraft zur Leistungssteigerung und das Wasser selbst. Daher sind oberschlächtige Wasserräder deutlich effizienter als unterschlächtige, da nahezu das gesamte Wasser und sein Gewicht zur Energieerzeugung genutzt werden. Wie zuvor wird die Energie des Wassers jedoch nur einmal zum Drehen des Rades verwendet, danach fließt sie mit dem restlichen Wasser ab.
Oberschlächtige Wasserräder hängen über einem Fluss oder Bach und werden üblicherweise an Hängen errichtet. Sie werden von oben mit Wasser versorgt und benötigen eine geringe Fallhöhe (den Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel am oberen Ende und dem Fluss oder Bach darunter) von 5 bis 20 Metern. Ein kleiner Damm oder ein Wehr kann errichtet werden, um das Wasser zum oberen Ende des Rades zu kanalisieren und seine Geschwindigkeit zu erhöhen, wodurch es mehr Energie erhält. Es ist jedoch das Wasservolumen und nicht die Geschwindigkeit, das das Rad in Rotation versetzt.
Im Allgemeinen werden oberschlächtige Wasserräder so groß wie möglich gebaut, um eine möglichst große Fallhöhe zu erzielen, damit das Gewicht des Wassers das Rad in Rotation versetzen kann. Allerdings sind Wasserräder mit großem Durchmesser aufgrund des Gewichts von Rad und Wasser komplizierter und teurer zu konstruieren.
Wenn die einzelnen Schaufeln mit Wasser gefüllt sind, versetzt das Gewicht des Wassers das Wasserrad in Fließrichtung in Rotation. Je näher der Drehwinkel dem unteren Rand des Rades kommt, desto mehr entleert sich das Wasser aus der Schaufel in den Fluss oder Bach. Das Gewicht der dahinter rotierenden Schaufeln sorgt jedoch dafür, dass sich das Rad weiterdreht. Die leere Schaufel kreist so lange um das Rad, bis sie wieder oben ankommt und bereit ist, erneut mit Wasser gefüllt zu werden. Der Kreislauf beginnt von Neuem. Ein Nachteil des oberschlächtigen Wasserrads ist, dass das Wasser nur einmal genutzt wird, da es nur einmal über das Rad fließt.
Das Pitchback-Wasserrad-Design
Das Pitchback-Wasserrad ist eine Weiterentwicklung des herkömmlichen oberschlächtigen Wasserrads. Es nutzt neben dem Eigengewicht des Wassers zur Rotation zusätzlich den Abfluss des Abwassers, um einen zusätzlichen Schub zu erzeugen. Dieses Wasserradsystem verwendet ein Niederdruck-Zulaufsystem, das das Wasser aus einem darüberliegenden Trog nahe dem oberen Radkopf zuführt.
Im Gegensatz zum oberschlächtigen Wasserrad, bei dem das Wasser direkt über das Rad geleitet wird und sich dieses dadurch in Richtung des Wasserflusses dreht, leitet das Kipprad das Wasser senkrecht nach unten durch einen Trichter in die darunter liegende Schaufel, wodurch sich das Rad entgegen der Strömungsrichtung des darüber liegenden Wassers dreht.
Wie beim vorherigen oberschlächtigen Wasserrad bewirkt das Gewicht des Wassers in den Schaufeln eine Drehung des Rades, allerdings gegen den Uhrzeigersinn. Wenn sich der Drehwinkel dem unteren Totpunkt nähert, läuft das Wasser aus den Schaufeln ab. Die leeren Schaufeln bleiben am Rad befestigt und drehen sich mit ihm weiter, bis sie wieder oben angekommen sind und sich erneut mit Wasser füllen können. Der Kreislauf beginnt von Neuem.
Der Unterschied besteht diesmal darin, dass das aus dem rotierenden Schaufelrad austretende Abwasser in Richtung des rotierenden Rades abfließt (da es nirgendwo anders hin kann), ähnlich dem Prinzip des unterschlächtigen Wasserrades. Der Hauptvorteil des Rücklauf-Wasserrades liegt also darin, dass es die Energie des Wassers zweimal nutzt, einmal von oben und einmal von unten, um das Rad um seine Mittelachse zu drehen.
Das Ergebnis ist eine deutlich höhere Effizienz des Wasserrads, die über 80 % der Wasserenergie nutzt. Der Antrieb erfolgt sowohl durch das Gewicht des einströmenden Wassers als auch durch den Druck des von oben in die Schaufeln geleiteten Wassers und den Abfluss des Abwassers, der von unten gegen die Schaufeln drückt. Der Nachteil eines solchen Wasserrads liegt jedoch in der etwas komplexeren Wasserzufuhr direkt über dem Rad, die mit Rinnen und Trogen ausgestattet sein muss.
Das Brustschuss-Wasserrad-Design
Das brustschlächtige Wasserrad ist eine weitere Bauart von vertikal montierten Wasserrädern. Hierbei tritt das Wasser etwa auf halber Höhe der Schaufeln, also auf Achshöhe oder knapp darüber, ein und fließt dann unten in Drehrichtung des Rades wieder aus. Brustschlächtige Wasserräder kommen in der Regel dort zum Einsatz, wo die Fallhöhe nicht ausreicht, um ein oberschlächtiges oder ein rückwärts gerichtetes Wasserrad von oben anzutreiben.
Der Nachteil hierbei ist, dass das Gewicht des Wassers nur für etwa ein Viertel der Umdrehung genutzt wird, im Gegensatz zu früher, als es für die Hälfte der Umdrehung genutzt wurde. Um diese geringe Fallhöhe auszugleichen, sind die Schaufeln des Wasserrads breiter gestaltet, um die benötigte potenzielle Energie aus dem Wasser zu gewinnen.
Brustschlächtige Wasserräder nutzen etwa die gleiche Gewichtskraft des Wassers, um das Rad anzutreiben. Da die Fallhöhe des Wassers jedoch nur etwa halb so hoch ist wie bei einem typischen oberschlächtigen Wasserrad, sind die Schaufeln deutlich breiter als bei früheren Konstruktionen, um das Wasservolumen zu erhöhen. Der Nachteil dieser Bauart liegt in der größeren Breite und dem höheren Gewicht des von jeder Schaufel transportierten Wassers. Wie beim Pitchback-Rad nutzt auch das brustschlächtige Rad die Energie des Wassers doppelt, da es im Wasser steht und das abfließende Abwasser zur Rotation des Rades beiträgt.
Stromerzeugung mithilfe eines Wasserrads
Historisch gesehen wurden Wasserräder zum Mahlen von Mehl, Getreide und für ähnliche mechanische Aufgaben eingesetzt. Sie können aber auch zur Stromerzeugung genutzt werden, was als Wasserkraftanlage bezeichnet wird. Durch die Verbindung eines Generators mit der rotierenden Welle des Wasserrads, entweder direkt oder indirekt über Antriebsriemen und Riemenscheiben, kann ein Wasserrad – anders als Solarenergie – rund um die Uhr Strom erzeugen. Bei optimaler Konstruktion kann ein kleines Wasserkraftsystem (Mikro-Wasserkraftanlage) genügend Strom erzeugen, um die Beleuchtung und/oder elektrische Geräte eines durchschnittlichen Haushalts zu betreiben.
Achten Sie bei der Auswahl eines Wasserradgenerators auf eine optimale Leistung bei relativ niedrigen Drehzahlen. Für kleinere Projekte kann zwar ein kleiner Gleichstrommotor oder eine Kfz-Lichtmaschine als Generator für niedrige Drehzahlen verwendet werden, diese sind jedoch für deutlich höhere Drehzahlen ausgelegt, sodass unter Umständen ein Getriebe erforderlich ist. Ein Windkraftgenerator eignet sich ideal als Wasserradgenerator, da er für den Betrieb mit niedriger Drehzahl und hoher Leistung konzipiert ist.
Wenn sich in der Nähe Ihres Hauses oder Gartens ein ausreichend schnell fließender Fluss oder Bach befindet, den Sie nutzen können, ist ein kleines Wasserkraftsystem möglicherweise eine bessere Alternative zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie, da es das Landschaftsbild deutlich weniger beeinträchtigt. Genau wie bei Wind- und Solarenergie kann bei einem netzgekoppelten, kleinen Wasserradsystem, das an das örtliche Stromnetz angeschlossen ist, überschüssiger Strom, den Sie erzeugen, aber nicht verbrauchen, an den Energieversorger zurückverkauft werden.
Im nächsten Tutorial zum Thema Wasserkraft beschäftigen wir uns mit den verschiedenen Turbinentypen, die wir an unsere Wasserradkonstruktion zur Stromerzeugung anbringen können. Für weitere Informationen zum Wasserradbau und zur eigenen Stromerzeugung mit Wasserkraft, zu den verschiedenen verfügbaren Wasserradkonstruktionen oder zu den Vor- und Nachteilen der Wasserkraft klicken Sie hier, um Ihr Exemplar noch heute bei Amazon zu bestellen. Dort erfahren Sie mehr über die Funktionsweise und den Aufbau von Wasserrädern zur Stromerzeugung.
Veröffentlichungsdatum: 25. Juni 2021
