DE10360876A1 - Electrical power generating device, has injector to inject electrical charge into wind flowing through pipe, and collector to collect charges from wind, such that part of kinetic energy of wind is converted into direct current - Google Patents

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Abstract

The device has an injector arranged before a gas/liquid permeable ground electrode, where the injector and the electrode are arranged across a cross sectional area of an insulating pipe. The injector injects electrical charges into wind flowing via the pipe. A collector (2) near an end of the pipe collects the charges from the wind, such that a part of kinetic energy of the wind is converted into direct current that is delivered to a load.

Description

1. Stand der Technik1. State of the art

Die derzeit bekannte Form der Erzeugung von elektrischer Energie aus Windenergie ist das Windrad. Dabei wird die kinetische Energie des Windes zunächst in Bewegungsenergie des Rotors umgewandelt. Der Rotor treibt einen Generator, der elektrische Energie liefert. Je nach Ausführungsform einer Windkraftanlage kann zwischen Rotor und Generator noch ein Getriebe angeordnet sein, um eine konstante Generatordrehzahl bei variabler Rotordrehzahl zu ermöglichen. Bei getriebelosen Anlagen wird der Generator mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben – je nach Windgeschwindigkeit. Die Netzanbindung erfordert dann noch einen Gleich- und Wechselrichter. Die Rotorblätter sind in der Regel mit einem elektrischen Blatt-Verstellsystem ausgerüstet. Für die Windnachführung ist ebenfalls ein Stellgetriebe erforderlich.The currently known form of generation of electrical energy Wind energy is the wind turbine. The kinetic energy of the Wind first converted into kinetic energy of the rotor. The rotor drives one Generator delivering electrical energy. Depending on the embodiment a wind turbine can still between rotor and generator Gearbox be arranged to provide a constant generator speed allow variable rotor speed. In gearless systems, the generator with different Operating speeds - ever according to wind speed. The network connection then still requires a DC and inverter. The rotor blades are usually with equipped with an electric blade adjustment system. For the wind tracking is also a control gear required.

Die Beschreibung eines Windrades entsprechend dem Stand der Technik ist in Anlage 1 zu finden. Charakteristische Merkmale dieser Anlage sind: Durchmesser der rotierenden Blätter: 40 m Von den Rotorblättern beschriebene Kreisfläche: 1250 m2 Maximale Spitzenleistung bei 13m/s Windgeschwindigkeit: 500 kW Mittlere Leistung: 50 kW The description of a wind turbine according to the prior art can be found in Appendix 1. Characteristic features of this system are: Diameter of the rotating blades: 40 m Circular surface described by the rotor blades: 1250 m 2 Maximum peak power at 13m / s wind speed: 500 kW Medium power: 50 kW

2. Erfindungsgemäße Struktur2. Structure according to the invention

Erfindungsgemäß wird ein Gerät vorgeschlagen, das die Windenergie direkt in elektrische Energie umwandelt, ohne die Umwege über Rotor und Generator. Die Kosten pro kWh sollten auf Grund des nicht erforderlichen Rotors, Generators, Getriebes und des Rotorblattverstellsystems erheblich niedriger sein als bei Windanlagen entsprechend dem Stand der Technik.According to the invention is a Device suggested which converts the wind energy directly into electrical energy, without the detours over Rotor and generator. The cost per kWh should not be due required rotor, generator, gearbox and the Rotorblattverstellsystems be considerably lower than wind turbines according to the state of the technique.

Zunächst werden die der Erfindung zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien bzw. Anordnungen entsprechend dem Stand der Technik erläutert:First, be the underlying physical principles or Arrangements according to the prior art explained:

a: Gewittertheorie:a: thunderstorm theory:

Das Aufsteigen feuchtwarmer Luftmassen führt in entsprechender Höhe zu einer Kondensation des Wasserdampfes durch Abkühlung. Es bilden sich Wassertröpfchen. Diese Wassertröpfchen werden einsinnig geladen, weil sie im normalen luftelektrischen Feld (ca. 100 V/m mit negativer Erde) zu Dipolen influenziert werden. Im Fallen nimmt ihre Vorderseite Ionen eines Vorzeichens auf und stößt die anderen ab (Gerthsen Physik, Springer Verlag, Seite 347). Durch diese Ladungstrennung entstehen Feldstärken von bis zu 106 V/m (= Durchbruchsfeldstärke in Luft, Blitz).The rise of moist warm air masses leads in a corresponding amount to a condensation of water vapor by cooling. It form water droplets. These water droplets are charged unidirectionally because they are influenzated in the normal air-electric field (about 100 V / m with negative earth) to dipoles. As it falls, its front side picks up ions of one sign and repels the others (Gerthsen Physik, Springer Verlag, page 347). This charge separation produces field strengths of up to 10 6 V / m (= breakdown field strength in air, lightning).

Wesentlich ist, dass sich diese enorme Feldstärke in Luft aufbauen kann, ohne dass die auf die Ionen wirkende Kraft – infolge des hohen elektrischen Feldes – einen Aufbau der Feldstärke verhindert.Essential is that this enormous field strength can build up in air, without the force acting on the ions - due to the high electrical Feldes - one Structure of the field strength prevented.

b: Plattenkondensator:b: plate capacitor:

Wird bei einem mit der Ladung Q geladenem Plattenkondensator der Plattenabstand I vergrößert, so muss beim Bewegen der Platten Arbeit geleistet werden. Dabei erhöht sich die Spannung am Kondensator proportional zum Abstand I.Becomes for a plate capacitor charged with charge Q, the plate spacing I enlarged, so must when moving the plates work is done. This increases the voltage across the capacitor is proportional to the distance I.

Wesentlich ist, das hier mechanische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird.Essential This is mechanical energy directly into electrical energy is converted.

c: Van-de-Graaff-Generator:c: Van de Graaff generator:

Das in 2b beschriebene Prinzip wird beim Van-de-Graaff-Generator in abgewandelter Form benutzt, um kontinuierlich direkt aus mechanischer Energie elektrische Energie zu erzeugen. Ein endloses Gummiband (Isolator) wird über diverse Rollen geführt, die je nach gewünschter Spannung mehr oder weniger voneinander entfernt angeordnet sind. Auf der einen Seite wird über eine Schneide (Kamm, Spitzen) negative Ladung aufgesprüht. Durch Bewegung des Gummibandes werden die auf das Band aufgesprühten negativen Ladungen von der positiven Gegenladung entfernt (entspricht der Vergrößerung des Abstandes beim Plattenkondensator) Auf der anderen Seite der Anordnung kann die negative Ladung auf Grund ihres hohen Potentials leicht über eine weitere Schneide berührungslos vom Band abgenommen werden. Das Potential an dieser Schneide kann je nach Gestaltung der Anordnung bis zu 100 kV erreichen.The principle described in FIG. 2b is used in a modified form in the van de Graaff generator in order to generate electrical energy continuously directly from mechanical energy. An endless rubber band (insulator) is guided over various rollers, which are arranged more or less apart depending on the desired voltage. On one side is sprayed over a cutting edge (comb, tips) negative charge. By moving the rubber band, the negative charges sprayed onto the belt are removed from the positive counter charge (corresponds to the increase in the distance in the plate condensa On the other side of the arrangement, due to their high potential, the negative charge can easily be removed from the strip without contact by means of another cutting edge. The potential at this cutting edge can reach up to 100 kV depending on the design of the arrangement.

Wesentlich ist, dass die Ladungstrennung durch Transport der Ladung auf einem Festkörper erfolgt.Essential is that the charge separation by transporting the charge on one solid he follows.

Die erfindungsgemäße Idee beruht darauf, den Ladungstransport über ein gasförmiges Medium, z.B. Luft, durchzuführen (vorstellbar ist auch ein Ladungstransport mittels Flüssigkeiten). Eine mögliche Anordnung zeigt 1. Ein Rohr aus nichtleitendem Material ist an den beiden offenen Enden mit je einem Gitter aus leitendem Material, z.B. Metall, abgeschlossen. Gitter 1 liegt auf Massepotential. Zwischen Gitter 1 und 2 ist ein Injektor angeordnet der z.B. negative Ladung in das Rohr injiziert. Die Injektion kann z.B. über Feldemission erfolgen (vergleichbare Phänomene in der Natur: Elmsfeuer, Koronaentladung; Gerthsen, Physik, S.467). Hierfür ist eine Hilfsspannung UH erforderlich, um am Injektor die erforderliche Feldstärke zu erzeugen (z.B. 1000 V). Der Injektor kann aus einem Array von Spitzen bestehen, das die Querschnittsfläche des Rohres ausfüllt. Der Injektor ist zweckmäßigerweise näher an Gitter 1 als an Gitter 2 angeordnet. Es sollte unerheblich sein, ob die Spitzen zu Gitter 1 oder zu Gitter 2 zeigen. Bläst Wind durch Gitter 1, so werden die Ladungen z.B. in Form von Ionen, geladenen Staubpartikeln, geladenen Wassermolekülen oder Agglomeraten von Wassermolekülen vom Injektor zum Gitter 2 transportiert. Über Gitter 2 (Kollektor) kann die Ladung abfließen. Über einen DC/AC Wandler kann die Energie ins Netz gespeist werden.The idea according to the invention is based on carrying out the charge transport via a gaseous medium, eg air (conceivable is also a transport of charge by means of liquids). A possible arrangement shows 1 , A tube of non-conductive material is closed at the two open ends, each with a grid of conductive material, such as metal. Grid 1 is at ground potential. Between grid 1 and 2, an injector is arranged, for example, the negative charge injected into the tube. The injection can be done, for example, by field emission (comparable phenomena in nature: Elms fire, corona discharge, Gerthsen, Physik, p.467). For this purpose, an auxiliary voltage U H is required to generate the required field strength at the injector (eg 1000 V). The injector may consist of an array of tips that fills the cross-sectional area of the tube. The injector is expediently arranged closer to the grid 1 than to the grid 2. It should not matter if the tips point to grid 1 or grid 2. If wind blows through grid 1, the charges are transported from the injector to the grid 2, for example in the form of ions, charged dust particles, charged water molecules or agglomerates of water molecules. The charge can flow off via grid 2 (collector). The energy can be fed into the grid via a DC / AC converter.

Das Rohr kann rund, quadratisch, sechseckig bzw. entsprechend den statischen Erfordernissen beliebig gestaltet sein. Die Querschnittsfläche kann ebenfalls variabel sein; z.B. am Lufteintritt größer als am Luftaustritt. Vorstellbar ist ebenso, dass auch die Rohrwand nicht geschlossen, sondern als Gitter ausgeführt ist. Da der Kollektor im Betrieb eine sehr hohe Spannung aufweist, kann es aus Sicherheitsgründen zweckmäßig sein, das Rohr über das Gitter 2 hinaus zu verlängern und mit einem Gitter 3 abzuschließen, das auf Massepotential liegt.The Pipe can be round, square, hexagonal or according to the static Requirements be designed as desired. The cross-sectional area can also be variable; e.g. greater at the air inlet than at the air outlet. imaginable is also that the pipe wall is not closed, but as Grid is executed. Since the collector has a very high voltage during operation, can it for security reasons be expedient the pipe over extend the grid 2 out and complete with a grid 3 that is at ground potential lies.

Die Erzeugung der Ladung am Injektor kann neben der bereits erwähnten Feldemission auch durch thermische Ionisation, hochfrequente Strahlung/Felder, UV-Strahlung oder radioaktive Strahlung erzeugt werden (Gerthsen, Physik, Seite 449). Bei den letztgenannten Verfahren muss allerdings eine Ladungstrennung in einem nicht winddurchströmten Bereich erfolgen. Eine mögliche Ausführung siehe 2.The generation of the charge at the injector can also be generated by thermal ionization, high-frequency radiation / fields, UV radiation or radioactive radiation in addition to the field emission already mentioned (Gerthsen, Physik, page 449). In the latter method, however, a charge separation must take place in a non-wind flow area. A possible execution see 2 ,

3. Quantitative Betrachtungen3. Quantitative considerations

a: Abschätzung der erzielbaren elektrischen Energie aus der kinetischen Energie des Windes:a: Estimation of the recoverable electrical energy from the kinetic energy of the wind:

  • P = ΔA/ΔtP = ΔA / Δt
  • ΔA = 1/2·Δm·vL 2 ΔA = 1/2 · Δm · v L 2
  • Δm = [d2·π/4]·ΔI·ç Δm = [d 2 · Π / 4] · · ç .DELTA.I
  • P = [d2π/8]·ç·vL 3 P = [d 2 π / 8] · ç · v L 3  
  • E = elektrische FeldstärkeE = electric field strength
  • P = LeistungP = power
  • A = EnergieA = energy
  • t = Zeitt = time
  • m = Massem = mass
  • vL = Luftgeschwindigkeitv L = air velocity
  • L = Abstand Gitter1 bis Gitter2L = distance grid1 to grid2
  • a = Abstand Gitter1 bis Injektora = distance grid1 to injector
  • d = Rohrdurchmesserd = pipe diameter
  • F = RohrquerschnittF = pipe cross section
  • ç = spez. Gewicht der Luftç = spec. Weight of air

Wird durch Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie die Windgeschwindigkeit auf z.B. 90% abgesenkt, so ergibt sich für einen Rohrdurchmesser d von 10 m und eine anfängliche Windgeschwindigkeit vL von 10 m/s eine nutzbare elektrische Leistung von: PN = [d2·π/8]·ç·[v3 L100% – v3 L90%] ≈ 14 kW If, by converting the kinetic energy of the wind into electrical energy, the wind speed is lowered to eg 90%, the result for a pipe diameter d of 10 m and an initial wind speed v L of 10 m / s is a usable electric power of: P N = [d 2 · Π / 8] · ç · [v 3 L100% - v 3 L90% ] ≈ 14 kW

b: Abschätzung der Injektorstromdichte iI b: Estimation of the injector current density i I

  • Annahmen: I/a = 10; UH = 1000 V; PN = 14 kWAssumptions: I / a = 10; U H = 1000 V; P N = 14 kW
  • iI = PN/[UH·I/a·d2·π/4] ≈ 2 μAcm–2 i I  = P N / [U H · I / a * d 2 · Π / 4] ≈ 2 μAcm -2

c: Ladungsdichte nI; Ionisationsgrad gI c: charge density n I ; Ionization degree g I

  • Annahmen: iI = 2 μAcm–2; vL = 10 m/sAssumptions: i I = 2 μAcm -2 ; v L = 10 m / s
  • nI = iI/q·VL ≈ 1·1010 cm–3 n I  = i I / Q · V L  ≈ 1 · 10 10  cm -3  
  • gI = NM/nI ≈ 109 G I  = N M / n I  ≈ 10 9
  • nI = Ladungsdichten I = charge density
  • q = Elementarladungq = elementary charge
  • NM = Dichte der LuftmoleküleN M = density of air molecules
  • gI = IonisationsgradgI = degree of ionization
  • d.h. eine Elementarladung kommt auf 109 Luftmoleküleie an elementary charge comes to 10 9 air molecules

d: Abschätzung der erzielbaren elektrischen Leistung, wenn die elektrische Feldstärke der Durchbruchsfeldstärke Emax in Luft entspricht:d: Estimation of the achievable electrical power when the electric field strength corresponds to the breakdown field strength E max in air:

  • Annahmen: Durchbruchsfeldstärke = 106 V/m; VL = 10 m/sAssumptions: breakdown field strength = 10 6 V / m; V L = 10 m / s
  • Maximale Ladungsdichte:Maximum charge density:
  • nImax = ε0·εr·Emax/Ln Imax  = ε 0 · ε r · e Max / L
  • Maximale Stromdichte:Maximum current density:
  • iI = nImax·VL i I  = n Imax · V L
  • Maximale Leistung:Maximum Performance:
  • Pmax = ½·ε0·εr·Emax 2·VL·F ≈ 3,5 kWP Max  = ½ · ε 0 · ε r · e Max 2 · V L · F ≈ 3.5 kW

Aus den quantitativen Betrachtungen a bis d geht hervor, dass die elektrische Durchbruchsfeldstärke die aus der erfindungsgemäßen Struktur entnehmbare Leistung begrenzt. Die Betrachtung zeigt auch, dass die Leistung proportional zur Luftgeschwindigkeit und der Querschnittsfläche der Struktur ist, jedoch unabhängig von der Länge des Rohres. Die Länge der Struktur bzw. des Rohres kann also frei nach den statischen Erfordernissen gewählt werden.Out The quantitative considerations a to d show that the electric Breakthrough field strength the from the structure according to the invention removable power limited. The consideration also shows that the Power proportional to the air velocity and the cross sectional area of the Structure is independent, however of the length of the pipe. The length The structure or the tube can therefore be free according to the static requirements chosen become.

4. Vorteile der erfindungsgemäßen Struktur4. Advantages of the structure according to the invention

Im Vergleich zum Windrad entsprechend dem Stand der Technik benötigt die erfindungsgemäße Struktur keine mechanisch bewegten Teile wie Rotorblätter, Getriebe und Generator. Dies führt zu erheblich geringeren Kosten pro kW Leistung, einer erhöhten Zuverlässigkeit und geringerem Gewicht. Lediglich zur Ausrichtung im Wind muss wie beim Windrad eine Vorrichtung vorhanden sein, die es erlaubt, das Rohr bezüglich der Rohrachse parallel zum Wind auszurichten.in the Compared to the wind turbine according to the prior art requires the inventive structure no mechanically moving parts such as rotor blades, gearbox and generator. this leads to at significantly lower cost per kW of power, increased reliability and lighter weight. Only for orientation in the wind must like the windmill be a device that allows the Pipe re align the pipe axis parallel to the wind.

Bei einem Durchmesser des Rohres von 40 m ergäbe sich eine max. Leistung von ca. 50 kW bei einer Luftgeschwindigkeit von 10 m/s. Die ist vergleichbar mit der mittleren Leistung des eingangs zitierten Windrades. Bei geringen Windgeschwindigkeiten sollte die erfindungsgemäße Struktur jedoch mehr Leistung erzeugen, da die erzeugte Leistung proportional zur Luftgeschwindigkeit ist während die Leistung beim Windrad exponentiel von der Luftgeschwindigkeit abhängig ist!at a diameter of the tube of 40 m would result in a max. power of about 50 kW at an airspeed of 10 m / s. She is comparable to the mean power of the wind turbine cited at the beginning. At low wind speeds, the structure according to the invention should however, generate more power since the power generated is proportional to the air speed is during the wind turbine power exponentiel from the air speed dependent is!

Claims (8)

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie bestehend aus einer Masseelektrode, einem Injektor und einem Kollektor wobei der Injektor elektrische Ladungen in ein bewegtes Medium (Gas, Flüssigkeit) injiziert und die Ladungen bzw. geladenen Teilchen oder Moleküle bzw. Ionen von dem bewegten Medium zum Kollektor transportiert und von diesem aufgenommen werden, wobei ein Teil der mechanischen Energie des bewegten Mediums unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt wird, die über den Kollektor in Form eines Gleichstromes an einen Verbraucher abgegeben werden kann.Device for generating electrical energy consisting of a ground electrode, an injector and a collector wherein the injector transfers electrical charges into a moving medium (gas, Liquid) injected and the charges or charged particles or molecules or Transported ions from the moving medium to the collector and of This is a part of the mechanical energy the moving medium is converted directly into electrical energy that's over the collector in the form of a DC delivered to a consumer can be. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 1 bestehend aus: – einem nichtleitendem Rohr, – einem gas- oder flüssigkeitsdurchlässigen Gitter 1 (Masseelektrode) nahe dem einen Ende des Rohres angebracht und die Querschnittsfläche des Rohres vollständig ausfüllend; vorzugsweise auf Massepotential liegend, – einer gas- oder flüssigkeitsdurchlässigen Injektoranordnung im Abstand a vor oder hinter Gitter 1 angeordnet und die Querschnittsfläche des Rohres vollständig ausfüllend zur Injektion elektrischer Ladung in das das Rohr durchströmende Medium, – einem gas- oder flüssigkeitsdurchlässigen Gitter 2 (Kollektor) nahe dem anderen Ende des Rohres angebracht, das die Ladungen aus dem bewegten Medium wieder aufnimmt und in Form eines elektrischen Gleichstromes an einen Verbraucher oder das Netz abgibt. – und einer Spannungsquelle UH zwischen Injektor und Gitter 1 angeordnet zur Versorgung des Injektors mit elektr. Energie.Electrical energy generating device according to claim 1, comprising: - a nonconductive tube, - a gas or liquid permeable grid 1 (ground electrode) near the one end of the tube and filling the cross sectional area of the tube completely; preferably at ground potential, - a gas or liquid-permeable injector arranged at a distance a in front of or behind grid 1 and the cross-sectional area of the tube completely filling for the injection of electrical charge in the medium flowing through the tube, - a gas or liquid-permeable grid 2 (collector) mounted near the other end of the tube, which receives the charges from the moving medium again and delivers in the form of a direct electrical current to a consumer or the network. - And a voltage source U H between injector and grid 1 arranged to supply the injector with electr. Energy. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den vorhergehenden Ansprüchen wobei der Injektor als Array von Spitzen ausgebildet ist, bei denen mit relativ geringer Spannung UH (z.B. 1000V) ausreichend hohe Feldstärken erzeugt werden können um durch Feldemission Ladungen in das Medium zu injizieren.Apparatus for generating electrical energy according to the preceding claims wherein the injector is formed as an array of tips in which with relatively low voltage U H (eg 1000V) sufficiently high field strengths can be generated to inject by field emission charges in the medium. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 1 und 2 wobei in einem ersten Schritt Ladungspaare durch thermische Ionisation, hochfrequente Strahlung, UV-Strahlung, radioaktive Strahlung oder andere Verfahren erzeugt werden, wobei die Ladung der einen Polarität über den Injektor in das Medium abgegeben werden, während die Ladung der anderen Polarität zu Masse (Gitter 1) abfließt.Device for generating electrical energy after the claims 1 and 2 wherein in a first step charge pairs by thermal Ionization, high-frequency radiation, UV radiation, radioactive radiation or other methods are generated, wherein the charge of the one Polarity over the Injector are discharged into the medium while the charge of the other polarity to ground (grid 1) flows off. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 2 bis 4, wobei das Rohr rund, quadratisch, sechseckig bzw. den statischen Erfordernissen beliebig gestaltet sein kann.Device for generating electrical energy after the claims 2 to 4, wherein the tube round, square, hexagonal or the static Requirements can be designed arbitrarily. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der in das Medium injizierte Strom durch eine Regeleinrichtung so eingestellt wird, dass im Raum zwischen dem Injektor und dem Kollektor die elektrische Feldstärke immer unterhalb der Durchbruchsfeldstärke des verwendeten Mediums bleibt.Device for generating electrical energy after the claims 1 to 5, wherein the injected into the medium flow through a control device is adjusted so that in the space between the injector and the collector the electric field strength always remains below the breakdown field strength of the medium used. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei der vom Kollektor abgegebene Gleichstrom über einen DC/AC Wandler in das Netz abgegeben wird.Device for generating electrical energy after the claims 1 to 6, wherein the DC output from the collector via a DC / AC converter is discharged into the network. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei die Vorrichtung durch eine geeignete Einrichtung so in die Fließrichtung des Mediums gedreht wird dass das Medium vom Injektor zum Kollektor fließt.Device for generating electrical energy after the claims 1 to 7, wherein the device by a suitable device so in the flow direction of the medium is turned that the medium from the injector to the collector flows.
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