Wasserrad
Ein Beispiel für eine historische Antriebstechnik
Geschichte
Alle Mühlen des Glonner Energielehrpfades arbeiteten früher mit Wasserrädern. Die Nutzung der Wasserkraft geht weit in die vorchristliche Epoche zurück. Die Griechen betrieben die ersten Wasserräder für Mahlwerke und Sägen. Später führten die Römer diese Technik in Zentraleuropa ein. Bis ins späte 19. Jahrhundert nutzten Mühlen, Hebezeuge und Pumpen diese mechanische Antriebsart.
Technik
Wasserräder bestehen in der Regel aus einer großen Holzfelge, in die Leitplanken (Schaufeln) eingepasst sind. Das fließende Wasser übt einen Impuls auf diese Schaufeln aus, der das Rad in Bewegung setzt. Durch die weitere Drehung geraten die nächsten Schaufeln in den Wasserstrom und erhalten neue Drehimpulse. Die Reibung der rotierenden Mühlsteine bremst das Rad, doch der unablässige Strom der Wasserkraft überwindet diesen Widerstand. Bei einem unterschlächtigen Wasserrad erfolgt die Wasserzufuhr unterhalb der Achsenhöhe. Diese Bauform ist bei geringen Fallhöhen und schnell fließenden Flüssen geeignet. Da das Rad überwiegend durch die Bewegungsenergie des Wassers angetrieben wird, ist eine Fließgeschwindigkeit von mehr als 50 Litern pro Sekunde erforderlich.
Ergebnis
- Je größer der Raddurchmesser, desto größer die Schwungmasse
- Je mehr Schaufeln, desto mehr Kraftimpulse, desto höher die Leistung
- Je größer die Schaufelfläche, desto größer die Kraftwirkung des Wassers
- Je schneller die Fließgeschwindigkeit, desto mehr nutzbare kinetische Energie des Wassers
- Je größer das Gefälle, desto höher die nutzbare potenzielle Energie des Wassers
Die Nutzung der Wasserkraft über Mühlräder sorgt schon seit dem Mittelalter für Arbeit und Wohlstand in Glonn. Deshalb führt die Gemeinde das Wasserrad im Wappen.
Synchrongenerator
Eine Besonderheit bei der Erzeugung elektrischer Energie stellt der Synchrongenerator dar. Während eine Asynchronmaschine veränderliche Drehzahlen erlaubt, dreht sich der Läufer der Synchronmaschine synchron mit dem elektrischen Drehfeld, es entsteht kein Schlupf wie beim Asynchronmotor.
Bei Synchrongeneratoren unterscheidet man Generatoren mit Permanentmagneten und elektrisch erregten Magneten im Läufer. Bei kleinen elektrischen Leistungen kommen oft permanentmagnet-erregte Synchrongene ratoren zum Einsatz. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie „schwarz anfahren“ können, d.h. sie erzeugen elektrische Energie unabhängig vom öffentlichen Stromnetz.
Vor dem Zuschalten ist sicherzustellen, dass das Generatordrehfeld zum Netzdrehfeld synchron sowie die Netzfrequenz von 50 Hertz beim Hochfahren erreicht ist. Vor dem Zeitalter der Computerüberwachung war die Synchronisation beim Anfahren ein aufwändiges Verfahren. Der Fehlwinkel der Phasen wurde mit dem sogenannten Hell-Dunkel-Verfahren überwacht. Dazu wird der lokale Generator über Lampen geringer Leistung mit dem zu speisenden Netz verbunden und die Generatorfrequenz verändert. Solange die Lampen leuchten oder auch nur glimmen, bestehen Phasen- oder Frequenzunterschiede. Bei nahezu gleicher Frequenz blinken die Lampen mit der Frequenz-differenz. Mit weiter abnehmendem Fehlwinkel werden die Lampen dunkler, bis sie ganz verlöschen und die Soll-Frequenz erreicht ist. Der Generator kann zugeschaltet werden.
Oben: Synchronisierungseinheit in der Stegmühle mit zwei Zungenfrequenzmessern
Unten: Synchronisierung Wasserstrom Waldstraße
Weitere Informationen
Interaktive Simulationen für verschiedene Wasserradtypen
Kleine Geschichte der Mühlen auf TK-Logo