DE4309588A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung energetisch nutzbarer Vorticity aus Parallelströmungen - Google Patents

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

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.