Wasserkraft war die erste
Kraft, die der Mensch für seine Zwecke zu nutzen wußte. Bereits im 3. Jahrtausend v. Chr. waren in
Mesopotamien Schöpfräder im Einsatz, mit deren Hilfe das
Wasser in Kanäle gehoben werden konnte, um die Felder zu bewässern.
Im Mittelalter kamen die
ersten Wasserräder nach Europa. Aus den Schöpfrädern, die ausschließlich der
Wasserentnahme aus einem Bach oder Fluß dienten, wurden Wasserräder; mit Hilfe
von Transmissionen und Getrieben wurde die Kraft auf mechanische Weise
übertragen. So wurde der Antrieb von Mühlen, Sägewerken und Schmieden
möglich; während ein solcher Antrieb bis dahin nur durch Muskelkraft, meist
durch Ochsen oder Pferde, oft aber auch durch den Menschen selbst, üblich war.
Man unterscheidet bei
Wasserrädern grundsätzlich zwischen unter- und oberschlächtigen Typen. Während bei
unterschlächtigen Rädern der Wasserstrom unter dem Rad durchläuft und sich das
untere Radende somit in Fließrichtung des Gewässers dreht, fließt beim
oberschlächtigen Rad das Wasser über das Rad, d. h. das untere Radende dreht
sich entgegen der Fließrichtung. Das Stoßrad arbeitet rein nach dem
Aktionsprinzip (Nutzung der Strömungsenergie). Die anderen unterschlächtigen
Räder stellen eine Mischform zwischen Aktions- und Reaktionsprinzip (Nutzung
der Lageenergie) dar. Das oberschlächtige Wasserrad arbeitet rein nach dem
Reaktionsprinzip.
Auch wenn die Turbine
zweifellos die modernere Antriebsmaschine ist, so haben Wasserräder,
insbesondere das oberschlächtige Wasserrad, durchaus ihre Vorteile im kleinen
Anwendungsbereich. Es stehen wesentlich größere Drehmomente zur Verfügung als
bei schnelllaufenden Turbinen, was bei mechanischen Antrieben ein Vorteil ist,
beim Generatorbetrieb aber zum Nachteil wird. In Hinsicht auf den
Umweltschutzgedanken ist insbesondere das oberschlächtige Wasserrad einer
Turbine vorzuziehen, da wesentlich geringere Eingriffe in die Natur notwendig
sind. So besteht z. B. flußabwärts Fischdurchgängigkeit. Ein weiterer Vorteil
ist das sehr gute Teillastverhalten bei oberschlächtigen Wasserrädern.
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Das
erste Wasserrad dieser Art war das Stoßrad. Flache Schaufeln tauchten in
ein Fließgewässer. Dieses Rad arbeitete ausschließlich mit der
Strömungsenergie des Wassers (Aktionsprinzip) und wird auf Grund seines äußerst
schlechten Wirkungsgrades heute nicht mehr produktiv eingesetzt. |
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Es
folgte das unterschlächtige Rad. Bei diesem Rad fließt das
Wasser in einem Bereich im unteren Drittel des Rades in die
strömungsgünstiger geformten Schaufeln ein. So kann neben der
Strömungsenergie auch geringfügig die Lageenergie (Gewicht) des Wassers genutzt
werden. |
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Heute
findet das mittelschlächtige Rad, welches vom Typ her zu den
unterschlächtigen Rädern zählt, bei geringen Fallhöhen noch vereinzelt
Verwendung. In seiner Weiterentwicklung als Zuppinger-Rad erreicht es Wirkungsgrade
bis zu 75 % und ist damit eine Alternative zu Turbinen im kleinen
Anwendungsbereich. |
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Das
oberschlächtige Rad wurde wesentlich später als die anderen Radtypen,
erst 1750 vom deutschen Physiker Johann Andreas von Segner, entwickelt. Das Wasser wird mittels eines Gerinnes über
einen Einlauf, der sog. Kanne, von oben auf das Rad geleitet. Dabei wird
ausschließlich die Lageenergie, sprich das Gewicht des Wassers,
ausgenutzt (Reaktionsprinzip). Dieses Rad erreicht
ebenfalls, abhängig von der Fallhöhe, Wirkungsgrade bis 75 %, und zwar
bis zu einer Teillast von 30%, was einmalig ist im Vergleich zu allen
anderen Wasserkraftmaschinen.
Zusätzlich entsteht der Vorteil, daß keine genauestens betonierte
Radgasse notwendig ist, wie beim Zuppinger-Rad, demgegenüber wird auch
die Baugröße halbiert. Weiterhin kann auch ein
Rechen, wie er bei unterschlächtigen Rädern und bei Turbinen notwendig
ist, entfallen, da Schwemmgut einfach über das Rad abfließt. Dadurch
entstehen erhebliche Kostenvorteile bei Bau und Betrieb. Ganz nebenbei
entsteht in Fließrichtung eine Fischdurchgängigkeit. Somit ist auch
heute noch im kleinen Anwendungsbereich dieses Rad oft die bessere Alternative
zur Turbine. |
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