DE4309588A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung energetisch nutzbarer Vorticity aus Parallelströmungen - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung energetisch nutzbarer Vorticity aus ParallelströmungenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Erzeugung energetisch nutzbarer Vorticity aus Parallel
strömungen, insbesondere aus anströmendem Wind beliebi
ger sowie beliebig wechselnder Richtungen und Geschwin
digkeiten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches
und auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung er
möglichen die Ausnutzung sehr geringer Strömungsge
schwindigkeiten ab etwa 1,5 bis 2 m/s und die Ausnutzung
größerer Energiefelder bei allen vorkommenden Anström
geschwindigkeiten. Die Windverhältnisse der Standorte
der Einrichtungen sind von untergeordneter Bedeutung, es
sollte jedoch die freie Anströmung der erfindungsgemäßen
Einrichtung gewährleistet sein, um Leistungsverluste
zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung
zur Elektroenergieerzeugung sowie zur Erzeugung von
Strömungsenergie einsetzbar, wie sie für die Gewässer
sanierung erforderlich ist. Insbesondere für die Belüf
tung kontaminierter Gewässer und deren Dekontaminierung
kann Strömungsenergie nach der Erfindung direkt mit
hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden, wobei die Umwelt
sanierung mit dem Umweltschutz sinnvoll verbunden wird.
Windenergieanlagen werden dazu durch Übereinandersta
peln erfindungsgemäßer Einrichtungen als turmartige Bau
werke errichtet und vollautomatisch betrieben. Dabei
ist noch besonders vorteilhaft, daß Windlast als wesent
liche statische Größe nur im Störungsfall auftreten
könnte, wodurch der Aufwand für die Errichtung dieser
Windenergieanlagen weiter vermindert werden kann.
Aus der US 4 452 562 ist eine Tornado-Windturbine be
kannt, die einen vertikal angeordneten Windturm mit ei
ner Längsöffnung für einen tangentialen Eintritt des
Windes aufweist. Der Turm ist nach oben offen. Im unteren
Teil ist eine Durchströmöffnung angeordnet, an die sich
eine dem Wind ausgesetzte Windkammer anschließt. In der
Durchströmöffnung ist eine Turbine angeordnet. Der Wind
turm ist doppelwandig ausgebildet, wobei der Raum zwi
schen den Wänden mit der Windkammer verbunden ist, so
daß sich eine Strömung in diesem Raum ausbilden kann.
Der untere Bereich der inneren Wand des Windturmes ist
porös ausgebildet, so daß die radial strömende Luft mit
der tangential in den Windturm einströmenden Luft zusam
menwirken kann, wodurch sich eine Wirbelströmung aus
bildet, die nach oben hin austritt und einen Unterdruck
kern bildet und die Luft durch die Öffnung der Windkam
mer ansaugt. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin,
daß diese Form der direkten Windenergienutzung sehr
große Bauformen benötigt, um die gewünschte Wirkung zu
erzielen, wobei der Wirkungsgrad im Verhältnis zum Auf
wand gering ist. Eine wirtschaftliche Nutzung ist nicht
bekannt geworden.
Aus der WO 92/21878 ist ein Verfahren zur indirekten
Windenergienutzung bekannt, nachdem eine Potentialwir
belspule in einer entsprechenden Einrichtung hergestellt
wird, diese erzeugt in der Einrichtung ein Strömungs
feld und erfordert eine Zusatzgeschwindigkeit, welche
als unmittelbare Beschleunigung einer durch Staudruck
erzeugten Drehströmung auftritt. Auf diese Weise ist die
direkte Windenergienutzung durch eine indirekte Wind
energienutzung mit größerer Leistungsfähigkeit der
Windenergieanlagen verändert worden, indem in Wirkrich
tung des Potentialwirbels eine Turbine angetrieben wird.
Windgeschwindigkeiten von 1,5 bis 2 m/s sind schon aus
nutzbar, Schallemissionen treten nicht auf, so daß we
sentliche Probleme der direkten Windenergienutzung ge
löst wurden. Die Einrichtung wird aus Strömungsmodulen
mit äußerem und innerem Hohlkörper gebildet, wobei der
äußere Hohlkörper Klappen aufweist, welche geöffnet und
durch inneren Überdruck geschlossen werden, so daß eine
selbsttätige Windnachführung erreicht wird. Zur Erzeu
gung der inneren Wirbelspule sind Wirbelerzeuger
innen angeordnet, die zum Beispiel aus tragflügelar
tigen Elementen hergesellt sind, welche auch entgegen
der Drehrichtung der inneren Strömung gedreht werden kön
nen, so daß mittels gespeicherter Energie auch ein
Betrieb im untersten Schwachwindbereich gewährleistet
wird. Während für kleinere Leistungen die Strömungsmodule
einfach herstellbar sind, ergeben sich bei größeren
turmartigen Bauwerken größere Aufwendungen für die An
ordnung der Klappen sowie der inneren Einrichtungen.
Sie sind bezogen auf die erreichbaren Leistungen trag
bar, stellen aber noch nicht das erreichbare Optimum
dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Einrichtung zur indirekten Windenergienutzung
und zur Erzeugung energetisch nutzbarer Vorticity zu
schaffen, die eine größere Fläche der Parallelströmung
zur Energiegewinnung ausnutzen, wobei eine Schädigung
der natürlichen Umwelt auch im Dauerbetrieb ausgeschlos
sen sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich
nenden Merkmale des Hauptanspruchs und des nebengeord
neten Einrichtungsanspruches gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Strömungsmodul, auch als Agens
etage bezeichnet, von einer Parallelströmung angeströmt.
Dabei weist die erfindungsgemäße Einrichtung einen äuße
ren Hohlkörper auf, der aus feststehenden Diffusorsäulen
sowie dazwischen oder dahinter angeordneten Klappen ge
bildet ist. Die Diffusorsäulen bilden mit den Klappen
kleine und große Diffusorräume sowie langgestreckte
Spaltdüsen, deren Spalt fest eingestellt ist. Wird ein
derart gebildetes Strömungsmodul von einer Parallelströ
mung angeströmt, werden vom maximalen Staudruckpunkt
aus betrachtet Staudruck an den Diffusorsäulen und Klap
pen in diesem Bereich erzeugt, welche eine Drehströmung
hervorrufen. In Drehrichtung wird Staudruck in oder an
den Diffusorsäulen erzeugt, entgegen der Drehrichtung
werden Zirkulationen in oder um die Diffusorsäulen her
vorgerufen. Wandert der maximale Staudruckpunkt am Strö
mungsmodul, dann wandern die resultierenden Staudrücke
und Zirkulationen mit, so daß eine selbsttätige Wind
nachführung erreicht ist. Unter Nutzung der verschiede
nen Staudrücke und Zirkulationen werden Strömungen er
zeugt und tangential in den durch die Diffusorsäulen
und Klappen gebildeten Hohlkörper eingeleitet und es
bildet sich eine strudelartige innere Drehströmung her
aus, die nach dem Drehimpulserhaltungsatz nach innen
geschwindigkeitserhöht wird und durch eine oder mehrere
Ausströmöffnungen gerichtet wird, welche sich in Abdeckplatten
befinden. Gleichzeitig wird in diesem Hohlkörper
ein Gesamtdruck aufgebaut, welcher gegenüber der Atmo
sphäre als Überdruck wirkt. Dieser Überdruck treibt durch
die Spaltdüsen Strahlströmungen, welche drehimpulsbe
haftet sind. Diese Strahlströmungen bewirken eine gerich
tete Umströmung von Klappen oder Diffusorflächen und er
zeugen durch größere Wandscherungen mehr Vorticity, die
sich dann durch konvektiven Vorticitytransport in der
Hauptströmung zu einem starken Wirbel ansammelt. Zugleich
ziehen die Strahlströmungen einen Volumenstrom von außen
an und erzeugen über der Zeit eine strudelförmige An
strömung des gesamten Strömungsmoduls, gleichzeitig bil
det sich im inneren des Strömungsmoduls eine stabile,
strudelartige Drehströmung heraus, welche geschwindig
keitserhöht einen Wirbelspulen erzeugenden Vertikalach
senrotor anströmt. Die vom Vertikalachsenrotor erzeugte
Wirbelspule wird mit der Hauptströmung durch eine
Ausströmöffnung aus dem Inneren des Vertikal
achsenrotors in die Atmosphäre quellend durch den Über
druck getrieben, so daß sich über der Ausströmöffnung
durch die Scherkräfte der überströmenden Parallelströ
mung eine Potentialwirbelspule herausbildet, welche in
einer Zeit mit der strudelartigen Anströmung des Strö
mungsmoduls vereint einen ganzheitlichen Wirbel um das
Strömungsmodul erzeugt, wodurch das Strömungsmodul von
einer Drehströmung umhüllt und die energetisch nutzbare
Fläche der Parallelströmung vergrößert wird.
In diesem Wirbel arbeitet die erzeugte Wirbelspule
stabil. Ist die Drehzahl des Vertikalachsenrotors gleich
Null, dann kann die gesamte Strömungsenergie des inne
ren Wirbels in Induktionsenergie der Wirbelspule umge
wandelt werden und ein starkes, zur Ausströmöffnung
gerichtetes Strömungsfeld erzeugt werden. Dieses Strö
mungsfeld kann in einer Leitung direkt auf einen Was
serspiegel wirken, so daß potentielle Energie der Atmo
sphäre nutzbar wird und zur Belüftung sowie zum Trans
port des Wassers direkt einsetzbar ist. Erfindungsgemäß
entsteht die neue Wirkung, für die Gewässersanierung
mehrere Windenergieanlagen auf einer relativ geringen
Fläche zur Leistungserhöhung zu konzentrieren oder auf
einer größeren Fläche nach den Gewässerbedingungen zu
verteilen, wobei die Förderleistungen der Windenergie
anlagen gut an die erforderlichen Fördermengen anpaßbar
sind. Umweltsanierung wird sinnvoll mit Umweltschutz ver
bunden, der bisher erforderliche Aufwand an nicht erneu
erbaren Energien wird vermieden. Zur Elektroenergieer
zeugung läuft der Vertikalachsenrotor bei kleineren
Windenergieanlagen direkt auf der Generatorwelle und
wird vom inneren Wirbel zentriert. Ein Generator kann
auch von zwei Vertikalachsenrotoren angetrieben werden,
wodurch sich die Aufwendungen weiter verringern. Für
größere Leistungen sind niedrige Drehzahlen des Verti
kalachsenrotors sinnvoll, um die Fliehkräfte und damit
den Aufwand für die Herstellung klein zu halten.
Ein wesentlicher Vorteil nach der Erfindung ist die
vollständige Umhüllung der Strömungsmodule durch die
erzeugten ganzheitlichen Wirbel auch dadurch, daß kei
ne statischen Beanspruchungen der turmartigen Bauwerke
mit mehreren Strömungsmodulen durch Windlasten während
des Betriebes auftreten können. Diese könnten nur im
Störungsfall eines Strömungsmoduls wirksam werden, wenn
die Klappen das Strömungsmodul verschließen und als ei
ne Fläche der Parallelströmung entgegenwirken. Diesem
Störfall aber wird durch die Spaltdüsen vorgebeugt, die
einen Verschluß unmöglich machen.
Die Klappen sind nur dann gegenüber der Atmosphäre ver
schlossen, wenn sie sich auf dem den Umfang bildenden
Kreis eingestellt haben. Dieser Fall setzt gleiche Drüc
ke an den Innen- sowie Außenflächen der Klappen voraus,
die real nicht entstehen können, solange ein Staudruck
direkt am Strömungsmodul verarbeitet wird.
Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Einrichtung
stabil und bei allen Umgebungsverhältnissen betrieben
und ein sehr guter Leistungsbeiwert erreicht werden.
Pulsationen der Parallelströmung werden doppelt ge
dämpft, die gesamte Pulsationsenergie wird in Drehim
puls umgewandelt. In der Atmosphäre lebende Arten unter
liegen keinerlei Zwängen. Notwendige Arbeiten an den
Strömungsmodulen können nach Verschließen der Klappen
eines Strömungsmoduls bei allen Umgebungsverhältnissen
durchgeführt werden, ohne daß die Energieproduktion der
anderen Strömungsmodule unterbrochen werden muß. Dazu
werden Stellglieder zwischen den Diffusorsäulen und den
Klappen vorgesehen.
Auswirkungen auf die natürliche Atmosphäre sind aufgrund
der der im Windfeld abfließenden Potentialwirbelspulen
nicht zu erwarten, da die Strömungskonzentration gegen
über der erzeugenden Parallelströmung in dieser Parallel
strömung vernachlässigbar klein sind. Im Bereich der er
findungsgemäßen Einrichtungen, wenn sie für größere
Leistungen in turmartigen Bauwerken errichtet werden,
können sich partielle Zirkulationen leeseitig heraus
bilden, welche durch das von einer oder mehreren Wir
belspulen in den Strömungsmodulen erzeugte Strömungsfeld
hervorgerufen werden können. Diese Zirkulationen sind be
zogen auf die Höhe der Windenergieanlagen und haben in
Bodennähe keinen Einfluß. Eine Erhöhung der Energiedichte
der Parallelströmung kann durch Sekundärinduktion meh
rerer Potentialwirbelspulen vorbeschriebener Art in der
Parallelströmung erreicht werden, wenn diese eine Sekun
därwirbelspule bilden und die Parallelströmung partiell
beschleunigen.
Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt
und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher er
läutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Aus
führungsbeispiel einer erfin
dungsgemäßen Einrichtung in sche
matischer Darstellung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein weite
res Ausführungsbeispiel einer er
findungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine wei
tere Ausführungsform einer erfin
dungsgemäßen Einrichtung.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfin
dungsgemäßen Einrichtung dargestellt, bei dem auf einer
Grundplatte 2 zwei Strömungsmodule 1 durch die Anordnung
von Diffusorsäulen 4, Klappen 5 sowie Deckplatten 3 ge
bildet werden. Die Diffusorsäulen 4 sind oberhalb und un
terhalb der Grundplatte 2 angeordnet, in der Grundplatte
2 kann auf einfache Weise der Generator 21 angebracht
werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, einen Genera
tor 21 mit zwei Vertikalachsenrotoren 15 anzutreiben,
welche bei kleineren Leistungen direkt auf der durchge
henden Generatorwelle angeordnet sind. Diese Doppelmodule
können zu turmartigen Bauwerken übereinandergestapelt
der erforderlichen Leistung angepaßt werden, wobei die
höher angeordneten Module die steigenden Anströmgeschwin
digkeiten ausnutzen und höhere Leistungen erreichen.
Die erforderlichen Abstände zwischen den Modulen bestim
men sich aus der Ausströmhöhe der Drallströmungen mit
eingelagerten Wirbelspulen im Schwachwindbereich, das
heißt nach der Ablenkung, welche diese Strömungen im
Windfeld erfahren.
Die feststehenden Diffusorsäulen 4 werden aus inneren
Diffusorflächen 10 und äußeren Diffusorflächen 11
gebildet, welche durch quer angeordnete Spanten 12 fest
miteinander verbunden sind. Damit wird einerseits eine
statisch stabile Konstruktion gewährleistet, andererseits
wirken die Spanten 12 strömungsmechanisch als Stabilisa
toren. Die äußeren Diffusorflächen 11 beschreiben den
äußeren Kreis des Doppelmoduls. Die inneren Diffusorflä
chen 10 weisen den Radius des inneren Kreises auf, sind
aber in einem Winkel zum Radius angeordnet, so daß ein
nach innen wirkender Diffusor entsteht. Die Wirkrichtung
der Diffusorsäulen 4 bestimmt die Drehrichtung der herzu
stellenden Drehströmung. Die Diffusorsäulen erfassen etwa
15° des Kreises. Zwischen den Diffusorsäulen 4 sind Klap
pen 5 angeordnet, deren Drehpunkt 6 mittig oder außermittig
zwischen den Diffusorsäulen angeordnet ist. Die Klappen
sind mit dem Radius des Kreises gebogen, auf dem die Dreh
punkte 6 angeordnet sind. Nehmen die Klappen 5 eine Kreis
form ein, wird das Strömungsmodul 1 geschlossen.
Wird nun das Strömungsmodul 1 von einer Parallelströmung
aus beliebiger Richtung sowie mit beliebiger Geschwindig
keit angeströmt, dann wird im Bereich des maximalen Stau
druckes Staudruck an mindestens zwei Diffusorsäulen 4 er
zeugt, die Klappen 5 werden in Drehrichtung nach innen
gedreht und liegen punktförmig an den inneren Diffusor
flächen 10 an. Zwischen inneren Diffusorflächen 10 und den
Klappen 5 werden Spaltdüsen 7 hergestellt. Zwischen den
äußeren Diffusorflächen 11 und und der äußeren Seite der
Klappen 5 werden kleine Diffusorräume 9 ausgebildet. Vom
Staudruck wird eine Strömung durch die Diffusorsäulen 4
getrieben und eine Drehströmung im Strömungsmodul 1 her
gestellt. Zugleich wird durch die Spaltdüsen 7 eine dreh
impulsbehaftete Strahlströmung erzeugt und die Umströmung
der inneren und äußeren Diffusorflächen 10; 11 eingelei
tet, wie das aus Fig. 2 ersichtlich ist. Im Staudruckbe
reich entgegen der Drehrichtung entstehen Zirkulationen
um die äußeren Diffusorflächen 11 während in Drehrich
tung Staudruck in den Diffusorsäulen 4 entsteht und ei
nen Volumenstrom durch die Spaltdüsen 7 treibt. In der
Anfahrphase bilden sich verschiedene Klappenstellungen.
Die Drehströmung im Inneren des Strömungmoduls 1 erzeugt
einen Gesamtdruck, welcher als Überdruck wirkt. Dieser
Überdruck schließt nun leeseitig Klappen 5 aufgrund der
Druckunterschiede, die jedoch über der Klappenfläche
nicht gleichbleibend sein können. Dadurch werden zwischen
den Klappen 5 Spaltöffnungen hergestellt, durch welche
der Überdruck eine weitere Strahlströmung treibt, die
ebenfalls drehimpulsbehaftet ist. Es erfolgt eine Umströ
mung der Klappen 5 unabhängig von einer inneren oder nach
außen gerichteten Spaltöffnung. Die Strahlströmungen er
zeugen über der Zeit eine Drehströmung, welche um das
Strömungsmodul außen stabil betrieben wird. Gleichzeitig
ist durch die innere Drehströmung der Vertikalachsenro
tor 15 angeströmt worden, wobei die innere Drehströmung
durch den über der Ausströmöffnung 13 erzeugten dynami
schen Unterdruck gerichtet ist. Mit Anströmen der Rotor
körper 16 wird eine Einströmfläche 17 sowie eine Anström
kante 18 erfaßt, so daß ein Volumenstrom in Rotorkammern
19 getrieben wird, welcher an der Anströmkante 18
einen Drehimpuls erhält, wodurch der Volumenstrom in den
Rotorkammern 19 geschwindigkeitskonzentriert wird und zu
gleich ein Drehmoment an dem Rotorkörper 16 erzeugt. Der
geschwindigkeitskonzentrierte Volumenstrom wird durch
Düsen 20 in den Innenraum des Vertikalachsenrotors 15
als konzentrierte Wirbelströmung getrieben und dort zu
einer Wirbelspule aufgewickelt und in die Drallströmung
eingelagert. Eine Vielzahl von Wirbelströmungen kann in
dieser Weise erzeugt und zu einer starken Wirbelspule
verarbeitet werden. Diese Wirbelspule wird dann durch die
Ausströmöffnung 13 mit der Drallströmung in die Atmo
sphäre getrieben, wo sich in der überströmenden Parallel
strömung eine Potentialwirbelspule ausbildet. Das im Strö
mungsmodul 1 von der Wirbelspule erzeugte Strömungsfeld
wirkt auf die Drehströmungen unmittelbar sowie mittelbar
beschleunigend, es wird ein stabiler Betriebszustand her
gestellt. In gleicher Zeit sind die strudelartigen Anströ
mungen des Strömungsmoduls 1 hergestellt, so daß sich die
Potentialwirbelspulen mit den strudelartigen Anströmun
gen zu einem ganzheitlichen Wirbel vereinen, welcher die
Strömungsmodule 1 umhüllt. Erfindungsgemäß entsteht die
Wirkung, daß die Parallelströmung ein wesentlich größe
res Energiespektrum in einen Wirbel umwandelt, als das
bei einer direkten Anströmung eines Strömungsmoduls 1 er
reichbar ist. Bezogen auf den Betrieb des Vertikalachsen
rotors 15 werden die Pulsationen der Parallelströmung
doppelt gedämpft, einmal in der freien Drehströmung sowie
nochmals im Inneren des Strömungsmoduls 1. Die Gefahr der
Erregung von Eigenschwingungen ist damit sehr gering, die
Herstellung des Vertikalachsenrotors 15 vereinfacht.
Weiterhin entsteht die erfindungsgemäße Wirkung, daß an
den umströmten gekrümmten Flächen der Diffusorsäulen 4
sowie der Klappen 5 durch eine wesentlich größere Wand
scherung mehr Vorticity erzeugt wird, welche in die
Hauptströmung diffundiert und sich dann zu einem starken
Wirbel ansammelt. Im äußeren Bereich des Strömungsmoduls 1
werden Turbulenzelemente hergestellt, welche mit der
Hauptströmung zum Vertikalachsenrotor 15 fließen. Gleich
zeitig erhöht sich die effektive Wirbelzähigkeit, so daß
durch konvektiven Vorticitytransport eine höhere Energie
dichte vor dem Vertikalachsenrotor erzeugt wird. Die Tur
bulenzelemente fließen senkrecht zur Hauptströmung zum
Vertikalachsenrotor 15, welcher senkrecht zur Hauptströ
mung angeordnete Einströmöffnungen 17 und Anströmkanten
18 aufweist, so daß eine optimale Energieumwandlung er
möglicht und durch die zweite Stufe der Geschwindigkeits
konzentrationen erreicht wird. Die Wirkung einer konzen
trierenden Einrichtung wird verstärkt, der Leistungsbeiwert
wird erhöht, der konstruktive Aufwand wird vermindert.
Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Einrichtung
stabil und mit hohem Leistungsbeiwert betrieben werden.
Für die Errichtung höherer turmartiger Bauwerke in Mo
dulbauweise ist die sonst statisch beachtliche Windlast
minimiert, sie könnte nur für den Fall auftreten, das
ein Strömungsmodul 1 vollständig geschlossene Flächen
dem Wind entgegensetzt. Das aber wäre nur möglich, wenn
alle Klappen 5 sich auf einen Kreis eingestellt hätten
und dadurch eine geschlossene Fläche bilden.
Die Voraussetzung dafür wären überall gleiche Innen- und
Außendrücke, die aber nicht realisierbar sind. Funktionell
ist ein solcher Störfall erfindungsgemäß ausgeschlossen.
Durch Unterteilung der Diffusorsäulen mittels Ringanker
und Einsatz mehrerer Klappenebenen kann das Risiko weiter
vermindert werden. Die statische Berechnung für eine Wind
energieanlage kann erfindungsgemäß auf den Störfall eines
Strömungsmoduls 1 für Windlastkräfte beschränkt werden,
es resultieren Bauaufwandssenkungen. Zu beachtende Probleme
der Vereisung von Flächen sind in einfacher Weise durch
flächenhafte Strahlungswärme zu lösen, das Gleiche gilt
auch für Ablagerungen durch Schnee. Erfindungsgemäß wird
auch die Wirkung erreicht, daß Feststoffpartikel, Regen
oder Schnee von den erzeugten Strahlströmungen und der
resultierenden umhüllenden Drehströmung erfaßt und auf
grund der dann wirkenden Fliehkräfte leeseitig abgeschie
den werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist aus Fig. 3 zu erken
nen. Die vorbeschriebenen Verfahrensschritte und Wirkungen
sind auch mit dieser Ausführungsform erreichbar. Hierbei
sind die Diffusorsäulen 4 als feste Säulen ausgebildet.
Die inneren Diffusorflächen 10 beschreiben die Kreisform
des Strömungsmoduls 1, die äußeren Diffusorflächen 11
weisen den annähernd gleichen Radius auf, werden aber mit
einem Winkel zum Radius des Strömungsmoduls 1 ausgebil
det. Der Drehpunkt 6 der Klappen 5 ist innen mittig oder
in Drehrichtung außermittig an den Diffusorsäulen 4 ange
ordnet. Zwischen den Drehpunkten 6 und den Diffusorsäulen
4 sind die Spaltdüsen 7 ausgebildet und mit festem Quer
schnitt eingestellt. Werden die Klappen 5 durch Überdruck
geschlossen, so liegen sie an den Diffusorsäulen 4 an.
Der Überdruck treibt durch die Spaltdüsen einen Volumen
strom. Die Klappen 5 sind nur durch nicht dargestellte
Stellglieder verschließbar, welche gleichzeitig eine Öff
nungsbegrenzung herstellen. Die Diffusorsäulen können aus
Stahlbeton hergestellt werden, so daß für größere Wind
energieanlagen bautypische Bauelemente einsetzbar sind.
Wird nun aus beliebiger Richtung ein Strömungsmodul 1
mit Diffusorsäulen 4 aus Stahlbeton von einer Parallel
strömung angeströmt, dann entstehen wie vorbeschrieben
Staudruckgebiete und Zirkulationen. Die sich öffnenden
Klappen 5 werden voll umströmt. Die durch die Spaltdüsen
7 erzeugten Strahlströmungen ziehen einen Volumenstrom
nach innen, so daß eine strudelartige Anströmung des
Strömungsmoduls 1 ausgebildet wird. Durch die größeren
Wandscherungen wird mehr Vorticity erzeugt, welche in die
Hauptströmung diffundiert und sich zu einem starken Wir
bel ansammelt. Über der Zeit werden die vorbeschriebenen
Betriebszustände hergestellt und stabil aufrechterhalten,
solange die Parallelströmung Energie antransportiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung kön
nen auch in einer Kombination mit solarer Energie ange
wendet werden. Dazu wird in bekannten Solarkollektoren
Heißluft erzeugt. Die Solarkollektoren werden unter dem
dem Strömungsmodul 1 angeordnet, in ihnen wird eine auf
steigende Drehströmung hergestellt, welche dann durch
Düsen tangential am Boden des Strömungsmoduls 1 in das
Strömungsmodul 1 am äußeren Radius eingeleitet wird. Der
Auftrieb bewirkt einen Überdruck durch Kompression der
Heißluft im Strömungsmodul 1. Der Überdruck schließt die
Klappen 5 und treibt durch die Spaltdüsen 7 eine Strahl
strömung, welche eine strudelartige Umströmung außen
herstellt, die eine aufsteigende Komponente hat. Zugleich
wird die innere Drehströmung sowie die Wirbelspule in
vorbeschriebener Weise erzeugt, so daß sich eine aufstei
gende, von Überdruck und Auftrieb getriebene Drallströ
mung mit eingelagerter Wirbelspule senkrecht in die At
mosphäre bewegt, welche strömungsmechanisch sehr stabil
ist. Innere und äußere Strömung erzeugen dann über der
Zeit einen umhüllenden Wirbel, es tritt eine Durchmi
schung mit Umgebungsluft ein, welche bei Flaute gleich
förmig auf den Feldlinien eines äußeren Strömungsfeldes
nachströmt. Werden mehrere Strömungsmodule 1 übereinander
gestapelt, so wird unter jedem Strömungsmodul 1 ein
Solarkollektor angeordnet. Die Verfügbarkeit regenerativer
Energieträger sowie der gewonnenen Energie wird wesent
lich erhöht. Durch die Erzeugung größerer Vorticity und
den konvektiven Vorticitytransport zum Vertikalachsen
rotor 15 kann ein guter Wirkungsgrad erreicht werden.
Weiterhin kann sehr hohe Solarenergieeinstrahlung mit
tels Latentwärmespeichern im Turmfuß gespeichert werden.
Die Speicherenergie kann so für den Betrieb der kombi
nierten Windenergieanlage im Schwachwindbereich und zur
Nacht eingesetzt werden. Damit werden neue Einsatzgebiete
für regenrative Energieträger erschlossen.
Es kann auch nützlich sein, größere Wind-/Solarenergiean
lagen als Einzelanlagen mit nur einem Strömungsmodul 1
zu errichten. Hierfür entsteht erfindungsgemäß die Mög
keit, daß Verfahren um einen wesentlichen Verfahrens
schritt zu erweitern. Die Rotorkörper 16 werden konzen
trisch um eine Ausströmöffnung 13 innerhalb des Ström
ungsmoduls 1 an der Deckplatte 2 angeordnet, wobei Aus
strömdüsen die Rotorkörper 16 mit der Atmosphäre verbin
den. Diese Anordnung der Rotorkörper 16 kann in mehreren
konzentrischen Kreisen erfolgen. Werden diese Rotorkör
per 16 in dieser stationären Anordnung geschwindigkeits
erhöht angeströmt, werden schnelle Drehströmungen erzeugt
und durch den Überdruck durch die Ausströmdüsen in die
Atmosphäre getrieben. Um die Ausströmöffnung 13 wird eine
konzentrische Wirbelspule hergestellt, welche über dieser
Ausströmöffnung 13 eine Zusatzgeschwindigkeit induziert.
Der Vertikalachsenrotor 15 seinerseits erzeugt eine in
nere Wirbelspule, so daß ein verstärktes Strömungsfeld
die geringere Dichte der Heißluft durch höhere Geschwin
digkeiten ausgleicht, die als Folge der Beschleunigung
der Drehströmung in dem Strömungsmodul 1 am Vertikalach
senrotor 15 auftreten. Gleichzeitig werden die Mischungs
prozesse verstärkt. Auf diese Weise ist der Betrieb der
erfindungsgemäßen Einrichtungen stabil bei allen Umge
bungsverhältnissen mit gutem Wirkungsgrad möglich. Die
kombinierten Wind-Solar-Energieanlagen bewirken durch
die stabile Quellströmung eine gleichmäßige Verteilung
der zuströmenden Luftmassen bei Windstille.
Bezugszeichenliste
1 = Strömungsmodul
2 = Grundplatte
3 = Deckplatte
4 = Diffusorsäule
5 = Klappe
6 = Drehpunkt
7 = Spaltdüse
8 = großer Diffusorraum
9 = kleiner Diffusorraum
10 = innere Diffusorfläche
11 = äußere Diffusorfläche
12 = Spannten
13 = Ausströmöffnung
14 = Ausströmöffnung
15 = Vertikalachsenrotor
16 = Rotorkörper
17 = Einströmfläche
18 = Anströmkante
19 = Rotorkammer
20 = Düse
21 = Generator
2 = Grundplatte
3 = Deckplatte
4 = Diffusorsäule
5 = Klappe
6 = Drehpunkt
7 = Spaltdüse
8 = großer Diffusorraum
9 = kleiner Diffusorraum
10 = innere Diffusorfläche
11 = äußere Diffusorfläche
12 = Spannten
13 = Ausströmöffnung
14 = Ausströmöffnung
15 = Vertikalachsenrotor
16 = Rotorkörper
17 = Einströmfläche
18 = Anströmkante
19 = Rotorkammer
20 = Düse
21 = Generator
Claims (6)
1. Verfahren zur Erzeugung energetisch nutzbarer
Vorticity aus einer Parallelströmung, die
ein Strömungsmodul zur Erzeugung eines Potenti
alwirbels mit mindestens einer Einströmöffnung
und mindestens einer Ausströmöffnung anströmt,
bei dem über eine spiralförmige Drehströmung der
Potentialwirbel erzeugt wird, durch den eine
in seiner Wirkrichtung angeordnete Turbine als
Energiewandler angetrieben wird oder direkt Strö
mungsenergie anwendbar gemacht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch größere Wandscherungen an den ein Strö
mungsmodul bildenden Diffusorsäulen und Klappen,
welche durch tangentiale Strahlströmungen er
zeugt wird, größere Vorticity erzeugt wird, wel
che in eine Hauptströmung diffundiert, wobei
gleichzeitig eine strudelartige Anströmung in der
Parallelströmung durch die hergestellten Strahl
strömungen ausgebildet wird, indem diese einen
Volumenstrom nach innen ziehen, im Bereich
einer oder mehrerer Ausströmöffnungen Wirbelspu
len erzeugende Vertikalachsenrotoren geschwindig
keitserhöht angeströmt werden, Energieaustrag
oder direkter Einsatz eines hergestellten Strö
mungsfeldes erfolgt und daß über der Betriebszeit
die über den Ausströmflächen in der Parallelströ
mung hergestellten Potentialwirbelspulen mit der
hergestellten strudelartigen Anströmung einen
ganzheitlichen, das Strömungsmodul umhüllenden
Wirbel herstellen und damit das energetisch nutz
bare Feld der Parallelströmung vergrößern.
2. Verfahren zur Erhöhung der Energiedichte einer
Auftrieb nutzenden Drehströmung aus Wind- und/
oder Solarenergie, welche aus einer drehend auf
steigenden Heißluftströmung und/oder einer ein
Strömungsmodul anströmenden Parallelströmung her
gestellt wird, nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Heißluft aus dem erzeugenden
Solarkollektor schräg tangential an einem äuße
ren Umfang des Strömungsmoduls in das Strömungs
modul einströmt und feststehende Rotorkörper
umströmt, welche sich im Bereich der Einströmöff
nungen befinden, die die Rotorkörper anströmende
Heißluft in den Rotorkörpern geschwindigkeitskon
zentriert wird, die in den Rotorkörpern herge
stellten Wirbel direkt in die Atmosphäre fließen,
die Heißluft geschwindigkeitserhöht mittig aus
einer Ausströmöffnung in die Atmosphäre getrieben
wird und die konzentrisch dazu ausfließenden Wir
belströmungen zu einer Thermowirbelspule aufwic
kelt und eine schnell aufsteigende, stabile Saug
strömung herstellt, welche im Strömungsmodul ei
nen Unterdruck bewirkt und Umgebungsluft angesaugt
wird und ein Vertikalachsenrotor mit gleichartigen
Rotorkörpern im Durchmischungsbereich angetrieben
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß innerhalb eines zylinderförmigen
Solarkollektors Latentwärmespeicher überschüssige
Wärme während des Solarenergiedargebotes spei
chern und bei fehlender oder nicht ausreichender
Solarenergie Wärme an den aufsteigenden Luftstrom
abgeben und die Verfügbarkeit regenerativ erzeug
ter Energie erhöhen.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, be
stehend aus einem Strömungsmodul, welches aus
Anströmsäulen und Klappen einen Hohlkörper bil
det, der mit mindestens eine Ausströmöffnung
aufweisenden Abdeckplatten abgedeckt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf einem Kreis feststehende Diffusorsäulen
(4) angeordnet sind, zwischen oder hinter den
Diffusorsäulen (4) gebogene Klappen (5) angeord
net sind, welche in gleicher Klappenstellung ei
nen Kreis bilden und das Strömungsmodul (1) ver
schließen, mindestens eine Diffusorfläche (13; 14)
über einem Kreis angeordnet und mit diesem Radius ge
bogen ist und mindestens eine Diffusorfläche (13; 14)
mit einem Radius gebogen im Winkel zum Radius des
Strömungsmoduls (1) angeordnet ist, durch die
Diffusorsäulen (4) und Klappen (5) Spaltdüsen (7)
sowie veränderliche kleine und große Diffusor
räume (9; 10) gebildet werden und daß mittig ein
aus Rotorkörpern (16) gebildeter Vertikalachsen
rotor (15) angeordnet ist, dessen Rotorkörper
(16) Rotorkammern aufweist, welche durch Ein
strömflächen (17) mit Anströmkante (18) sowie
Düsen (20) geöffnet sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Diffusorsäulen (4) aus freistehen
den Diffusorflächen (10; 11) gebildet sind, welche
mittels quer angeordneten Spannten (12) fest ver
bunden sind und daß die Klappen (5) zwischen den
Diffusorflächen (10; 11) angeordnet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Diffusorsäulen (4) im unte
ren Bereich mit Heißlufteinströmöffnungen verbun
den sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4309588A DE4309588A1 (de) | 1993-03-22 | 1993-03-22 | Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung energetisch nutzbarer Vorticity aus Parallelströmungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4309588A DE4309588A1 (de) | 1993-03-22 | 1993-03-22 | Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung energetisch nutzbarer Vorticity aus Parallelströmungen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4309588A1 true DE4309588A1 (de) | 1994-09-29 |
Family
ID=6483744
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4309588A Withdrawn DE4309588A1 (de) | 1993-03-22 | 1993-03-22 | Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung energetisch nutzbarer Vorticity aus Parallelströmungen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4309588A1 (de) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1997002431A1 (de) * | 1995-07-06 | 1997-01-23 | Schatz, Olaf | Wirbelwindturbine mit senkrechter achse |
DE19525910A1 (de) * | 1995-07-06 | 1997-01-30 | Juergen Schatz | Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung und energetischen Nutzung von Wirbelströmungen hoher Zirkulation in parallelen Hauptströmungen |
WO1998001671A1 (de) * | 1996-07-05 | 1998-01-15 | Schatz Juergen | Verfahren und vorrichtung zur energetischen nutzung von strömungsenergie |
WO2002044559A2 (de) * | 2000-12-03 | 2002-06-06 | Schatz Juergen | Verfahren und vorrichtung zur beschleunigung von molekülen eines newtonschen fluids in rohren |
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-
1993
- 1993-03-22 DE DE4309588A patent/DE4309588A1/de not_active Withdrawn
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