DE10205531A1

DE10205531A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus einem strömenden Fluidum

Info

Publication number: DE10205531A1
Application number: DE2002105531
Authority: DE
Inventors: Kai Wissner
Original assignee: Individual
Current assignee: Wissner Kai 10407 Berlin De
Priority date: 2002-02-11
Filing date: 2002-02-11
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2022-02-12
Also published as: DE10205531B4

Abstract

Zur Gewinnung von Energie aus einem strömendem Fluidum wird mindestens ein Umströmungskörper (2) in dem strömenden Fluidum angeordnet, wobei sich Wirbel (5, 6) des Fluidums zu unterschiedlichen Zeiten von beiden Seiten des Umströmungskörpers (2) ablösen. Weiterhin wird mindestens ein Auslenkungskörper (7) in dem strömenden Fluidum hinter dem Umströmungskörper (2) angeordnet, der durch die auf ihn auftreffenden Wirbel (5, 6) des Fluidums ausgelenkt und/oder verformt wird, und die Auslenkung bzw. Verformung des Auslenkungskörpers (7) wird zur Gewinnung elektrischer oder kinetischer Energie abgegriffen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus einem strömenden Fluidum. Speziell geht es darum, einem strömenden Fluidum direkt Energie zu entziehen, um diese anderweitig zu nutzen. Bezogen auf Wasserkraft bedeutet dies, dass es um die Energiegewinnung direkt aus dem strömenden Wassers eines Bachs oder Flusses geht und nicht darum, Wasser zunächst aufzustauen, um dann die potentielle Energie des über die Staustufe hinweg herabfallenden Wassers zu nutzen.
Als Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art sind unterschlägige Wasserräder bekannt, die jedoch bei größerer Dimensionierung weit oberhalb des Wasserspiegels aufbauen. Weiterhin ist ein sogenanntes Transverpello eines Herrn Dipl.-Ing. Lutz Kroeber bekannt, bei dem ein Flügelelement durch strömendes Wasser seitlich hin und her ausgelenkt wird. Um die Richtungsumkehr der seitlichen Auslenkung des Flügelelements zu erreichen, muss das Profil des Flügelelements variiert werden, was gerade bei größeren Baueinheiten ein Problem darstellt. Zudem setzt ein guter Wirkungsgrad des bekannten Transverpello eine laminare Umströmung des Flügelelements voraus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus einem strömenden Fluidum aufzuzeigen, die die Nachteile des Stands der Technik überwinden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 4 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3, bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung in den Unteransprüchen 5 bis 10 beschrieben.

Die Erfindung nutzt aus, dass sich von umströmten Körpern unter turbulenten Strömungsbedingungen beidseitig Wirbel ablösen, wobei diese Wirbelablösungen häufig nicht auf beiden Seiten gleichzeitig erfolgen, sondern abwechselnd von der einen und dann von der anderen Seite. Dabei kann eine periodische Abfolge der Wirbel gegeben sein. Dies ist für die vorliegende Erfindung zwar vorteilhaft aber nicht zwingend. Die dem Umströmungskörper nachlaufenden Wirbel, d. h. die sogenannte Karmannsche Wirbelstraße, werden bei der Erfindung genutzt, um Arbeit zu verrichten, d. h. um die gewünschte elektrische oder kinetische Energie zu gewinnen. Die Arbeit verrichten die Wirbel bei der Erfindung an dem Auslenkungskörper, der in dem strömenden Fluidum hinter dem Strömungskörper angeordnet ist und der durch die auf ihn auftreffenden Wirbel des Fluidums in gegenläufigen Richtungen ausgelenkt und/oder verformt wird. Diese Auslenkung bzw. Verformung wird bei der Erfindung abgegriffen, um die elektrische bzw. kinetische Energie zu gewinnen. Der Abgriff kann mechanisch erfolgen. Es kann sich aber auch um einen elektromagnetischen Abgriff handeln.

Bislang wurde davon ausgegangen, dass das strömende Fluidum eine strömende Flüssigkeit ist. Hierbei handelt es sich auch um den bevorzugten Fall der vorliegenden Erfindung. Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch mit einer Gasströmung realisierbar.

Der Umströmungskörper kann einen unterschiedlichen Querschnitt haben. Bevorzugt ist ein kreisförmiger Querschnitt, um etwa gleiche Voraussetzungen für die Ablösung der Wirbel auf beiden Seiten des Umströmungskörpers zu schaffen.

Der Auslenkungskörper kann eine sich von dem Umströmungskörper nach hinten erstreckende verformbare Wand aufweisen, die sich zwischen den sich wechselseitig von den Seiten des Umströmungskörpers ablösenden Wirbeln hindurchschlängelt und dabei an jedem Punkt ihrer Längserstreckung ständig hin und her bewegt wird.

Der Auslenkungskörper kann in seinem vorderen Bereich um eine parallel zu dem Umströmungskörper verlaufenden Schwenkachse verschwenkbar gelagert sein. Diese Schwenkbewegung kann dann mit Hilfe beispielsweise einer Pleuelstange in eine Drehbewegung umgesetzt werden, um kinetische Energie abzugreifen. Bei dem schwenkbar gelagerten Auslenkungskörper kann es sich um einen in sich verformbaren Auslenkungskörper aber auch um einen starren Auslenkungskörper handeln. Besonders bevorzugt für den Ort der Lagerung des Auslenkungskörpers ist der Umströmungskörper.

Der Auslenkungskörper kann auch in einer Durchbrechung einer sich von dem Umströmungskörper nach hinten erstreckenden starren Wand vorgesehen sein. Die dem Umströmungskörper nachlaufenden Wirbel verursachen unterschiedliche Druckverhältnisse auf beiden Seiten der Wand, so dass es eine Querströmung durch deren Durchbrechung gibt, die den Auslenkungskörper beaufschlagt.

An dem Auslenkungskörper oder einem mit ihm mechanisch verbundenen Element können Permanentmagnete oder Induktionsspulen einer elektrischen Maschine angeordnet sein, um elektrische Spannungen bzw. Ströme zu erzeugen. Diese Spannung bzw. Ströme sind auch dann nutzbar, wenn sie mit ungeordneter Frequenz und Amplitude auftreten. Sie können ohne weiteres mit bekannter Technik beispielsweise für eine Netzeinspeisung aufbereitet werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben, dabei zeigt
Fig. 1 das Grundprinzip der Erfindung in einer Ansicht auf eine Strömung von oben,
Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 von der Seite,
Fig. 3 eine erste konkrete Ausführungsform der neuen Vorrichtung in einer Ansicht von oben,
Fig. 4 die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in einer Seitenansicht,
Fig. 5 eine Ansicht von oben auf eine weitere Ausführungsform der neuen Vorrichtung,
Fig. 6 eine Ansicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 5 von der Seite,
Fig. 7 eine Ansicht von oben auf eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung,
Fig. 8 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 7 und
Fig. 9 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung von oben.
In den Fig. 1 und 2 ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung dargestellt. In einer Strömung 1, die sich über die gesamte Breite des Zeichnungsblattes der Fig. 1 erstrecken möge, ist ein Umströmungskörper 2 angeordnet. Der Umströmungskörper 2 ist zylinderförmig. Er kann aber auch eine andere Querschnittsgestalt haben und auch einen über seine Länge variablen Querschnitt, wobei letzteres aber nicht bevorzugt ist. Von beiden Seiten 3 und 4 des Umströmungskörpers 2 lösen sich Wirbel 5 und 6 ab, wobei das Ablösen der Wirbel unter für die Anwendung der Erfindung geeigneten Strömungsbedingungen wechselweise erfolgt. D. h., hinter dem Umströmungskörper 2 folgen Wirbel 5 und 6 zeitlich aufeinander. Eine exakt periodische Abfolge ist für die Erfindung aber nicht erforderlich. Durch die Wirbel 5 und 6 wird ein Auslenkungskörper 7, der hier eine seitlich verformbare Wand 8 ist, in entgegengesetzten Richtungen verformt, so dass sich die verformbare Wand 8 immer zwischen den Wirbeln 5 und 6 hindurchschlängelt. Diese Verformung ist eine unmittelbare Folge der kinetischen Energie der Strömung 1. Die mit der Verformung einhergehenden Bewegungen des Auslenkkörpers 7 können abgegriffen werden, um Energie aus der Strömung 1 zu gewinnen, d. h. kinetische oder elektrische Energie. Die Fig. 3 und 4 skizzieren eine Ausführungsvariante für das Abgreifen der Auslenkung des Auslenkkörpers 7, bei dem es sich um eine verformbare Wand 8 handelt. Das vordere Ende 9 des Auslenkkörpers 7 ist hier an dem Umströmungskörper 2 gelagert, wobei ein Lagerelement 10 den Umströmungskörper 2 ringförmig umschließt. Durch die Auslenkung des Auslenkkörpers 7 wird das Lagerelement 10 in Richtung von Pfeilen 11 über einen gewissen Winkel um den Umströmungskörper 2 hin und her gedreht. Diese Drehbewegung kann über eine mechanische Anordnung oder eine elektrische Maschine zur Gewinnung von kinetischer bzw. elektrischer Energie abgegriffen werden.
Die in Fig. 4, 5 und 6 skizzierte Vorrichtung weist im Anschluss an den Umströmungskörper 2 eine starre Wand 12 auf. Die Wand 12 umfasst eine Durchbrechung 13, in der der Auslenkkörper 7 angeordnet ist. Die Wirbel 5 und 6 bewirken über die Durchbrechung 13 hinweg laufenden Druckschwankungen über die Wand 12, die den Auslenkkörper 17 in der Durchbrechung 13 seitlich hin- und herbewegen, was durch einen Doppelpfeil 14 angedeutet ist. Diese Bewegung kann wieder abgegriffen werden.
Gemäß Fig. 7 und 8 ist hinter dem Umströmungskörper 2 ein starrer Auslenkkörper 7 um eine parallel zu dem Umströmungskörper 2 verlaufende Schwenkachse 15 schwenkbar gelagert. Durch die dem Umströmungskörper 2 nachlaufenden Wirbel 5 und 6 wird der Auslenkkörper 15 in Richtung eines Schwenkdoppelpfeils 16 hin- und herbewegt. Der starre Auslenkkörper 7 gemäß den Fig. 7 und 8 weist im Querschnitt die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aus, das an seiner Spitze schwenkbar gelagert ist.
Gemäß Fig. 9 ist wieder eine verformbare Wand 8 als Auslenkkörper 7 hinter dem Umströmungskörper 2 vorgesehen. Hier erfolgt der Abgriff der Verformung über Induktionspulen 17, die an der verformbaren Wand 8 angeordnet sind und die sich in einem äußeren magnetischen Gradientenfeld aufgrund der Wirbel 5 und 6 hin- und herbewegen. Entsprechend wird in den Induktionsspulen 17 bei dieser Bewegung ein Strom induziert, der abgegriffen und aufbereitet werden kann, um elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
Umgekehrt kann die verformbare Wand 8 auch permanentmagnetisch ausgebildet sein oder Permanentmagnete tragen oder auch permanenterregte Spulen, um in ortsfest neben ihr angeordneten, hier nicht dargestellten Induktionsspulen Ströme zu induzieren. In beiden Fällen werden Amplitude und Frequenz der Ströme stark abhängig von den aktuellen Bedingungen der Strömung 1 sein, so dass eine Aufbereitung nötig ist, welche aber mit bekannten Techniken kein Problem darstellt.
Es ist festzuhalten, dass der umströmte Körper, bei dem es sich um einen langgestreckten Körper mit über seine Längserstreckung konstantem Querschnitt handeln kann, nicht nur vertikal in eine Strömung eingetaucht, sondern auch horizontal in der Strömung angeordnet werden kann. An der grundsätzlichen Funktion der vorliegenden Erfindung ändert sich hierdurch nichts, da sich auch dann Wirbel von beiden Seiten des Umströmungskörpers ablösen, die auf den Auslenkkörper einwirken und diesen auslenken bzw. verformen. Bezugszeichenliste 1 Strömung
2 Umströmungskörper
3 Seite
4 Seite
5 Wirbel
6 Wirbel
7 Auslenkkörper
8 verformbare Wand
9 vorderes Ende
10 Lagerelement
11 Doppelpfeil
12 starre Wand
13 Durchbrechung
14 Doppelpfeil
15 Schwenkachse
16 Doppelpfeil
17 Induktionsspule

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Energie aus einem strömendem Fluidum mit den Schritten:

- Anordnen mindestens eines Umströmungskörpers (2) in dem strömenden Fluidum, wobei sich Wirbel (5, 6) des Fluidums zu unterschiedlichen Zeiten von beiden Seiten (3, 4) des Umströmungskörpers (2) ablösen;

- Anordnen mindestens eines Auslenkungskörpers (7) in dem strömenden Fluidum hinter dem Umströmungskörper (2), der durch die auf ihn auftreffenden Wirbel (5, 6) des Fluidums in gegenläufigen Richtungen ausgelenkt und/oder verformt wird; und

- Abgreifen der Auslenkung bzw. Verformung des Auslenkungskörpers (7) zur Gewinnung elektrischer oder kinetischer Energie.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung bzw. Verformung des Auslenkungskörpers (7) zur Gewinnung elektrischer Energie elektromagnetisch abgegriffen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidum eine Flüssigkeit ist.

4. Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus einem strömendem Fluidum mit:
einem Umströmungskörper (2) in dem strömenden Fluidum, wobei sich Wirbel (5, 6) des Fluidums zu unterschiedlichen Zeiten von beiden Seiten des Umströmungskörpers (7) ablösen;
mindestens einem Auslenkungskörper (7) in dem strömenden Fluidum hinter dem Umströmungskörper (2), der durch die auf ihn auftreffenden Wirbel (5, 6) des Fluidums in gegenläufigen Richtungen ausgelenkt und/oder verformt wird; und
Mitteln zum Abgreifen der Auslenkung bzw. Verformung des Auslenkungskörpers (7) zwecks Gewinnung elektrischer oder kinetischer Energie.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umströmungskörper (2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslenkungskörper (7) eine sich von dem Umströmungskörper (2) nach hinten erstreckende verformbare Wand (8) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslenkungskörper (7) in seinem vorderen Bereich um eine parallel zu dem Umströmungskörper (2) verlaufende Schwenkachse (15) verschwenkbar gelagert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslenkungskörper (79 an dem Umströmungskörper (2) gelagert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslenkungskörper (7) in einer Durchbrechung (13) einer sich von dem Umströmungskörper (2) nach hinten erstreckende starren Wand (12) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Auslenkungskörper (7) oder einem mit ihm mechanisch verbundenen Element Permanentmagnete oder Induktionsspulen (17) einer elektrischen Maschine angeordnet sind.