Das
Dreieck-Zellensegment-Wasserrad (DZW)
Innovationspreis
2005 
Welt der Wunder und RTL II vergibt
zusammen mit Volkswagen Nutzfahrzeuge einen Innovationspreis an
Menschen, Firmen oder Organisationen, deren Visionen und Schaffen
beispielhaft für die Innovationskraft Deutschlands sind – und andere
beflügeln können. Aufgefordert wurden deutsche Unternehmen, Erfinder,
Tüftler, aber auch Wissenschaftler und Ingenieure ihre Ideen
einzureichen.
Das Thema 2005 lautete „Alternative Energie - Umwelt und
Technologie“
Der von Herrn Prof. Dr.-Ing. Jürgen
Jensen und Herrn Dipl.-Ing. Jörg Wieland (Fachbereich 10
Bauingenieurwesen - Forschungsinstitut Wasser und Umwelt - Wasserbau
& Hydromechanik) und Prof. Dr.-Ing. J. M. Pacas und Dr.-Ing. Martin
Schultz (Fachbereich 12 Elektrotechnik und Informatik -
Leistungselektronik und Elektrische Antriebe) eingereichte Vorschlag:
„Kleinstkraftwerke - Wasserräder mit Energiewandlern im
Baukastenprinzip“
wurde von der Jury von 180 Vorschlägen in der Kategorie „Profis“
mit dem 2. Platz ausgezeichnet!
Beschreibung
Die
Randbedingungen eines Wasserrades für den Einsatz in Entwicklungsländern
sind die Verwendung kostengünstiger Materialien, eine robuste
Konstruktion, einfache Herstellung, leichter Transport, einfache,
schnelle Montage und unkomplizierter Austausch eventuell beschädigter
Teile.
Als Lösungsansatz
kommt ein Wasserrad infrage, welches sich in einzelne Segmente zerlegen
und einfach transportieren lässt. Die Einzelteile müssen relativ
leicht sein, um auch in unwegsamem Gelände durch Muskelkraft über größere
Distanzen getragen werden zu können. Diese Vorgaben erfüllt das
dargestellte gespeichte Dreieck-Zellensegment-Wasserrad (DZW).
Die Bilder
zeigen den Prototypen eines voll funktionstüchtigen Kleinstkraftwerkes
Wasserrad mit
Energiewandler
Das an der
Forschungsstelle Wasserwirtschaft und Umwelt (fwu) entwickelte
Dreieck-Zellensegment-Wasserad (DZW) wurde speziell für die manuelle
Produktion und den manuellen Auf- bzw. Zusammenbau in ländlichen
Gebieten (z.B. Entwicklungsländer) konzipiert. Allerdings ermöglicht
die Konstruktionsweise auch die maschinelle Großserienfertigung. Der
Hauptvorteil des DZW ist in der geringen Zahl der unterschiedlichen
Bauteile, die mit einfachsten Mittel in kleinen Werkstätten auch in
Entwicklungsländern hergestellt werden können, zu sehen. Neuartig ist
dabei, dass beim DZW die gesamte Tragkonstruktion nur aus den
Dreieckzellen (siehe Abbildung 3) und Zugspeichen (siehe Abbildung 4)
besteht (ähnlich einem Fahrlaufrad). Die gesamte Konstruktion kann mit
sehr geringem Kostenaufwand hergestellt werden. Die Montage erfolgt
ausschließlich mit lösbaren Verbindungsmitteln (Schrauben und
Schraubenmuttern). Die gewonnene Energie kann durch einen Riementrieb
direkt zum Antrieb verschiedener Maschinen (Mühlen, Ölpressen, Sägen,
Hämmern, Webstühlen etc.) genutzt werden, oder das Rad treibt einen
Generator an mit dessen Hilfe elektrische Energie für den universellen
Einsatz erzeugt wird.
Wesentliches
Merkmal des DZW ist, dass es ohne besonderen technischen Aufwand, größtenteils
mit einfachen Werkzeugen in kleinen Werkstätten (z.B. Schlosserei,
Blechverarbeitungsbetrieb) im Entwicklungsland hergestellt werden kann.
Die Speichung korrigiert Ungenauigkeiten im Herstellungsprozess (siehe
Abbildung 5) und erleichtert die Montage des Rades. Der Aufbau der
Zellen ist mit Hilfe der „Tafel zur Bemessung von Dreieckzellen“,
einem Bleistift und einem speziellen Lineal in wenigen Arbeitsschritten
möglich. Damit sind alle notwendigen Angaben wie Durchmesser,
Schluckweite, Schluckvolumen, usw. hinreichend genau bekannt. Die
leichte Konstruktion ist kostengünstig, da Material im Einkauf nach
Masse bezahlt wird. Das Wasserrad selbst wiegt nur etwa 400 kg. Die
Zellenform reduziert den Verschnitt auf ein Minimum und gewährleistet
eine wirtschaftliche Materialausnutzung. Die Verwendung handelsüblichen
Materials mit Standardabmessungen vereinfacht die Beschaffung in
Entwicklungsländern. Ein Riemenantrieb nimmt das Drehmoment auf,
wodurch die Kraft durch Umspannen verschiedenen Maschinen zugewiesen
werden kann. Im Bedarfsfall kann die Kraft auf einen Generator übertragen
werden und Strom erzeugen. So wird eine größere Flexibilität am
Einsatzort erreicht und die Kosten durch ein kleineres Getriebe am
Generator vermindert. Die Schraubenverbindungen reduzieren den
Werkzeugaufwand am Bestimmungsort, da keine Schweißgeräte erforderlich
sind. Sie vereinfachen die Reparatur und den Austausch beschädigter
Teile.
Für das
Aufstellen des Wasserrades sind nur zwei Arbeiter erforderlich;
Hebewerkzeuge sind nicht notwendig. Sind mehrere Zellen montiert, wirken
sie als Gegengewicht und
tragen zur einfacheren Montage der restlichen Zellen bei. Durch einen
hohen Vorfertigungsgrad der Einzelteile wird die Montagezeit verkürzt.
Das Baukastenprinzip
bietet die Möglichkeit der „Fließbandproduktion“. Gleiche,
einfache Arbeitsschritte erfordern nur eine kurze Anlernphase der
Arbeiter. Der Transport kann von Tieren oder Menschen sogar an schwer
zugängliche Orte erfolgen, da die Gewichte der Einzelteile etwa 30 kg
i.d.R. nicht übersteigen. Das schwerste Einzelteil ist der
Stirnradgetriebegenerator, je nach Leistung bis zu 70 kg. Übersteigt
die Wassermenge am Bestimmungsort das Fassungsvermögen des Rades, kann
ein zweites Rad seitlich angeschraubt werden. Es muss dann eine stärkere
Welle gewählt werden. Das DZW ist nahezu beliebig erweiterbar.
Das
DZW besteht aus mehreren vorgefertigten Einzelteilen, die vor Ort
montiert werden können. Die einzelnen Bestandteile sind Zellen aus
Blech, Speichen aus Stabstahl, 2 PKW-Felgen als Innenringe, Stahlwelle
mit Scheiben zur Aufnahme der Felgen, Winkelstahl, Muttern, Hutmuttern,
Unterlegscheiben, Schrauben, Ring aus Winkelstahl als Lauffläche für
den Treibriemen.
Weitere
Informationen:
Multimedia- WMV-Datei,
der Download kann einige Zeit dauern,
die Ansicht erfordert ggf. zusätzliche Programme