WO1998001671A1 - Verfahren und vorrichtung zur energetischen nutzung von strömungsenergie - Google Patents

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Jürgen SCHATZ
Klaus-Jürgen SCHULZE
Rainer Hradetzky
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Schatz Juergen
Schulze Klaus Juergen
Rainer Hradetzky
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/04—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F03D3/0409—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels surrounding the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
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    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/132—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines creating a vortex or tornado effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the invention relates to methods for the energetic use of flow energy
  • Parallel flow flow modules in which vortices are generated, vortex currents are produced and wound-coil inductors are wound up and / or vortex disks are formed, for example in parallel and / or spiral
  • the invention further relates to a method for indirect use of the
  • the invention enables the partial, approximately uniform transfer of expanding vortices into an energetically used parallel flow.
  • pulsations caused by the dynamic pressure of the incoming flow are prevented, so that a relatively undisturbed expansion is produced.
  • Usable energy can be generated with higher efficiencies.
  • a free flow against the devices known per se should be ensured.
  • the invention is often reproducible in parallel flows.
  • a main flow formed by a double potential vortex and a potential core vortex flow connecting at maximum circumferential velocity, flows in a parallel flow and is set with a rotational axis set perpendicular to the parallel flow.
  • pressure is built up by reducing the radius and increasing the peripheral speeds, in the other level by increasing the radius and increasing the speeds of the outflowing mass flow, negative pressure is generated.
  • the potential produced is used for energetic use of the parallel flow, for example by driving a turbine in the area of the pressure build-up in the double potential vortex. If vortex flows are generated in the turbine, a dynamic vortex coil is produced in the connecting potential core vortex flow, which linearizes the turbine characteristic curve of the rotational speed so that it agrees very well with the typical generator characteristic curves.
  • the sizes of systems for the use of flow energy determine their usability and the economically necessary effort.
  • the sizes and their ability to be classified in a parallel flow are essential parameters. It is therefore desirable to increase the usable potential in the flow modules that is produced by disproportionation of the mean energy level of the parallel flow.
  • one or more main flows are generated in the form of previously proposed double potential vortices with disk-shaped, expanding potential vortices on an axis of rotation with opposite translation, in Flow-through spaces in the parallel flow to rotations with mutually approximately the same curve shape of the expansion and velocity fields combined and with this hyperbolic curve shape defined surfaces of so-called hyper vortices as well as fluid-mechanical free spaces between the flow modules and hyper vortices.
  • vortex currents of higher circumferential speeds are generated on both sides of the hyper vortex and / or introduced into these, which flow directly into the parallel flow.
  • the energy of the parallel flow can be converted directly into induction over the surfaces of the hypervortices.
  • a half-sided drive is created by the parallel flow in the free spaces, especially on the outer radii.
  • the vortex currents can flow directly into the parallel flow due to the rotation of the surfaces of the hyper vortex and the peripheral speed induced in the free spaces.
  • Pulsation energy can be used smoothed, i.e. it is converted into pulsating rotations.
  • a disadvantage is the direct transition of the hyper vortex into the parallel flow, because pressure and vacuum areas arise and act directly on the vortex. Although these are minimized in the case of hypervortices, the pulsations set fluid-mechanical limits for the function of the vortices, which are determined by the flow velocity and the peripheral speeds of the vortices.
  • An internal hollow body is flowed into, into which an axial flow and a large number of inducing eddy currents are conducted, so that a turbine can be arranged in the effective area of the potential vortex or the hollow body can be used directly as a turbine.
  • the efficiency of these devices essentially depends on the circulation of the vortex generating elements.
  • flaps on flow modules, as is described in EP 0 591 467 B1.
  • the dynamic pressure opens the flaps and enables a tangential inflow into a flow module, so that an internal three-way flow is forced.
  • the maximum opening angle above the semicircle is 30 °, since the remaining flaps above the circle are closed by the internal flow pressure.
  • a forced control of flaps is known, with which attempts were made to open flaps in the dynamic pressure area and at the same time in the lee of the cylindrical device in order to make a rotating flow usable.
  • the flaps should be controlled by a wind vane depending on the wind direction.
  • the invention has for its object to provide a method which, based on a projected flow area of the parallel flow, enables the production of energy concentrations before the expanding vortices and energy conversions such that higher flow rates in the effective range of the expanding vortices produced by the flow and a relatively undisturbed transition into the flow field of the generating parallel flow can be set. It is a further object of the invention to provide a method with which the efficiency of the flow modules can be increased by increasing the amount of flow components flowing into the flow modules, and to implement a method and a device according to which the flaps are controlled and the direction of flow adjusted that the incoming parallel flow is converted to larger proportions directly into pressure and rotation and that pulsations of the incoming flow can be used as converted energies.
  • the device should be easy to manufacture and easy to service.
  • dynamic pressure regions which can be displaced by the inflow are produced in the inflow by means of funnel-shaped circular ring guides. Due to the funnel-shaped generation of the dynamic pressure regions, flow deflections are generated in the inflow regions, which produce outflow regions for the vortices rotating behind them and shield the vortices against the inflow pressure.
  • the leeward side vacuum can affect the inflow into these outflow areas. It has been found that vacuum regions placed around a rotation stabilize eddy currents. The expanding vortices are thereby transferred more evenly into the parallel flow and stabilized over their axis of rotation.
  • the dynamic pressure areas change automatically.
  • the vortices adhere to the back of the dynamic pressure areas and are stabilized in the parallel flow via their axis of rotation.
  • the negative pressure area acting on the cylindrical flow modules on the leeward side affects the vortex environment, the mass removal is accelerated into the negative pressure area. As a result, the repercussions on the vertebrae are minimal.
  • the flow flowing over the dynamic pressure areas is at the same time partially diverted to the vortex-producing flow modules and used to increase the dynamic pressure in front of these flow modules. This increases the amount of energy that can be used in the flow modules.
  • one or more potential vortices are produced as main flows with a common axial flow and driven by the parallel flow.
  • known flow modules with automatically operating flap systems and at least one outflow opening are used. Core vortex flows are produced between the potential vortices, so that potential double vortices are formed, with dynamic pressure and negative pressure areas arising in the parallel flow.
  • a vertical axis rotor with vortex-generating blades can be arranged in this potential vortex.
  • vortex currents are generated and embedded in the rotations.
  • the vortex core flows with embedded vortex flows are deflected in an expansion space that can be freely flowed through by the parallel flow and rotationally symmetrical to the common axis of rotation, and an expanding potential vortex is produced.
  • On the same axis of rotation there can be a second, expanding potential vortex with opposite translation above the expanding potential vortex be initiated.
  • Both potential vortices unite over the common axis of rotation to form a hyper vortex, which creates hyperbolic flow forms and steady-state flow conditions on both sides.
  • the result is the new effect of a shielded rotating expansion of vertebrae or hypervortices. If additional velocities are induced in the vertebrae or hypervertebrae by embedded eddy currents, the induction can be maintained over the flow path of the eddy currents. Vortex rupture due to pressure changes is avoided. The field lines of all eddy currents are rectified in the respective direction of induction and close in the eddy flow plane.
  • the mass flow flowing in the respective inflow surface of the parallel flow can be enforced at full speed in a concentrated manner and can be returned to the parallel flow more uniformly, so that the potential eddy current function can be fully utilized for the performance of the vortex system.
  • Reaction effects are limited to the outflow, in particular to changes in the velocity field of the outflow in the dynamic pressure areas, which have no negative effects on the induction processes in the vortex system Stay in control.
  • the eddy currents introduced in the eddies are only stable in the eddies as the main flow. With the transition into the parallel flow, they burst, and environmental impairments cannot be produced using this method.
  • the method described above can therefore be used in parallel flows to produce usable energies for all possible uses of mechanical or fluid-mechanical energies.
  • An advantage of the invention is that the indirect use of the flow energy in the lee of the flow modules does not create a counterflow, but rather a specifically created negative pressure area which is filled up by the flow modules by converting part of the parallel flow into at least one cylindrical flow module into eddy currents and on the leeward side behind the flow module, a first vacuum area is generated, the converted flow drives at least one turbine and then flows out in a rotating, expanding manner via the parallel flow flowing past the flow module into the leeward-side first vacuum area and is simultaneously sucked off in such a way that a second vacuum area is generated within the flow module and thus the quantity the parallel flow flowing into the flow module is increased.
  • a third vacuum region may be placed around the rotating outflow, and a second vacuum region within the flow module due to outflow and inflow surface conditions parallel to the axis of rotation generated and thus the amount of parallel flow flowing into the flow module is increased.
  • Another advantage of the invention is that a relatively low flow rate is sufficient to generate electron energy by producing a suction surface on the dynamic pressure side of a flow module by the production of the first vacuum area in the lee of the flow module and the second vacuum area or by the production the first negative pressure area in the lee of the flow module and the third negative pressure area around the rotating outflow and the second negative pressure area a rotating depression is generated in front of the dynamic pressure side of a flow module, which communicates with other flow modules.
  • the essence of the invention lies in the communication of the flow modules in the wind field, the projected flow area of all modules changing in one or more planes.
  • an external inflow in a flow module is partially broken down into a multiplicity of mutually adjusting and supporting, variable pressure cushions acting on outer radii in the flow module, converted into throughflow pressure and into an inner rotary flow, and pressure cushions produced are changed during the inflow from any direction or newly manufactured and operated as a flow-through pressure accumulator.
  • process steps consist in the combination of the conversion processes of the parallel flow into inner three-phase flows with the production of a large number of on the outside radii, flexible pressure cushions acting within the flow module, which support each other over the circular arc.
  • the dynamic pressure of the parallel flow is divided into a multiplicity of pressure cushions within the flow module, so that no dynamic pressure field can act on the outside of the parallel flow, so that the parallel flow can flow completely against the flow module.
  • the incoming parallel flow is converted, starting from the maximum dynamic pressure line, within the flow module between flexible limits in pressure and flow pressure, the flexible limits consisting of flat fabrics parallel to the flow and rope-like tension elements acting as control elements in the tangential inflow.
  • the walls movable according to the method are moved by the pressure pads into the form which is set by the pressures acting in the pressure pad and outside of this pressure pad by the adjacent pressure pads which arise on the left and right on the flexible walls. As a result, different configurations of the pressure pads are set, which can reproducibly change with the flow direction.
  • the support of the pressure pads on the flexible walls causes the flow space to be divided into a zone with a higher flow rate and a pressure pad with a lower flow rate.
  • pulsation energy of the parallel flow is introduced into usable energy in the rotary flow of the flow module and at the same time used in the pressure pads of the flap system for wind tracking and as temporarily stored energy for the operation of the flow module.
  • the tangential The parallel flow flows evenly into the flow module over the circular arc, the inner three-phase flow can develop undisturbed. Effects of the parallel flow against the direction of rotation of the inner three-phase flow are excluded; the parallel flow can drive into the inner three-phase flow in the open flap area.
  • the method described here has the new effect of producing and maintaining pressure storage potentials in the process of converting the parallel flow into an inner three-phase flow.
  • the shape of the pressure pads can be determined by the position of the cable-like tension elements, which are each attached to an inner flap tip in the direction of rotation of the inner rotary flow and are attached to the following flap and are displaced outwards.
  • the opening of one flap always causes a tension in the other flap, which must change its position until the pressures acting on this flap are balanced.
  • the opening area of the flaps can be enlarged in a known manner if flow-mechanical guide devices are provided on the two sides of the flow module, past which the parallel flow flows, which cause a vertical flow in these areas by flow deflections or accelerations.
  • the known Magnus effect can be used particularly advantageously, for example, by setting the cylinder into rotation by the parallel flow in such a way that it aligns itself with the side flaps and flows almost vertically against them. Since the required rotations and the rotating masses are comparatively small, they do not constitute any Dangers to the environment. This creates the necessary pressure differences, which cause the flaps in question to open. The flaps can open over 180 ° of the circle, practically perpendicular to the parallel flow. In this way, the projected inflow area can be enlarged.
  • Fig.l an implementation variant with a total of six flow modules
  • FIG. 2 is a top view of FIG. 1
  • Fig. 3 shows a section of the flap functions of a flow module
  • FIG. 4 shows an enlarged detailed representation from FIG. 3.
  • FIGS. 1 and 2 six flow modules 1 are designed according to specific calculations.
  • Two power modules each have a 500 kW generator with two turbines arranged on the generator shaft, which can also be arranged as two 250 kW versions.
  • the size relationships show that the power can easily be increased to 3 MW if the lower or upper free part is occupied by another six flow modules 1. This does not cause any problems in terms of energy, since the energy is obtained from wind energy and pressure. Only a free flow must always be guaranteed. That's why they are Flow modules aligned in the main wind direction of a location so that all can be flowed to. By adjusting the distances between them, a complete flow can also be achieved with any flow direction.
  • the advantages of the modular design can be fully exploited when planning wind turbines to adapt them to requirements and locations. The system enables multivalent use during operation without the various uses impairing it.
  • the selected location of the flow modules 1 according to the present exemplary embodiment is shown at 270 W / m 2 .
  • the conditions of direct wind energy use that are typical for free-running turbines are taken into account.
  • the required hub height of around 50m for 500 kW systems determines the performance data.
  • the flow modules 1 are provided at this height.
  • the wind 2 is converted into vortex and vortex currents in the flow modules 1.
  • the vortex currents induce additional speeds according to the Biot-Savart law. This results in technically usable, partial energy density increases in the vertebral system.
  • Flow modules l the inflows are tangential through an internal pressure controlled Flap system 3 with over 360 ° automatic wind tracking.
  • the outflow of the used air masses takes place parallel to the flow in rotation from a disk-shaped expansion space 6 into the leeward-side vacuum region 4.
  • the vacuum region 4 represents a sink in the wind field in terms of flow mechanics.
  • the volume flow only comes from inside the expansion disk.
  • the outflow impulse passes through the vortex system at the speed of sound.
  • the negative pressure cannot build up in a materially open system, it is released by converting potential energy into kinetic energy.
  • the conversion takes place in the turbine area where the pressure difference would occur.
  • a vibrating air column acts as a transmitter in the turbine.
  • the volume flow is then supplied through the power module into the expansion space 6 through a turbine outflow cross section, resulting in an increase in the peripheral speed of the vortex that drives the turbines.
  • the additional energy required for this is obtained from the pressure acting on the dynamic pressure side 5 on the power module 1. This means that a technical rotogravure system parallel to the axis of rotation is used and potential energy is converted into kinetic energy directly at the turbine.
  • This rotationally symmetrical, technical gravure printing system acts through the turbine in the potential vortex that drives the turbine. Since the required mass flow compensation is only possible via tangential inflows into the power module 1, the peripheral speed must increase accordingly.
  • the basis of this mechanism of action is the entropy behavior of the atmosphere.
  • the dynamic and / or static pressure of the air must compensate for partial negative pressures in the atmosphere.
  • the output that can be discharged is about 250 kW el.
  • the annual yield of a vortex system in flow modules of a column with a nominal output of 500 kW can then be about 2 GWh.
  • the internal pressure-controlled plastic flap system 3 of the flow modules 1 allows automatic wind tracking over 360 °. All rotating parts are protected by a cage construction.
  • the basic structure concept according to Fig. 2 enables simple construction and multivalent use. At higher inflow velocities, the tilting moments acting in the flow modules tend to be smaller.
  • the pulsations of the wind are made usable smoothed in the driving vortices.
  • the flow modules 1 operate at all inflow speeds - there is no need to switch off.
  • the rotor speeds of a vertical-axis hollow body rotor are linearized via the inflow velocity and are therefore adapted to the performance characteristics of the generator by means of a dynamic swirl coil acting under load. No vibrations can occur, the potential vortex in the power module flows evenly on the rotor. Noise emissions are not expected. Live species cannot reach the rotor.
  • this exemplary embodiment is characterized as follows:
  • the air masses flowing out of the flow modules 1 go down a slope of the wind field, the induced additional speed conveys them to the leeward side negative pressure area 4 without counterpressure. A wind power that is necessary for a transverse displacement of the air masses in the wind flow is therefore sufficient.
  • the reinforcing effect occurs in the vortex system through speed concentration, since the induced outflowing volume flow through rotation and through the Slope does not allow backflow and the outflow impulse passes through the vortex system at the speed of sound.
  • the missing air mass in the vortex system is replaced by the pressure prevailing on the outside of the flow module 1.
  • the leeward vacuum region 4 created by the flow modules 1 exists over time until the backflow resulting from the vacuum still present arrives. This specifically created situation is used energetically.
  • flaps 1 made of flexible flat fabric are arranged on a cage-like support structure 6 of a flow module. They are each connected to the following flap 1 on the inner edges with a plurality of rope-like tension elements 2, offset in the direction of rotation of the inner rotary flow to be produced. In the idle state they assume any position.
  • the pulling elements are fastened in such a way that the pulling fastening point of the pulling elements on the flaps on or near the outer edge and the holding fastening point are arranged at a distance (A) in the direction of the flap fastening, the length and arrangement of the pulling elements being dimensioned such that that a flap opening that is optimal in terms of fluid mechanics takes place.
  • the inflow causes pressure on the Flap 1 made of flexible fabrics, which must be set in the most favorable position for the flow.
  • a tensile stress results in the cable-like holding elements 2, which acts on the central regions of the flap 1 following in the tangential inflow direction.
  • the flexible surface of the flap 1 is moved counter to the inflow direction until pressure and tensile forces equalize.
  • the resulting bulge contains the pressure cushion 7, which is maintained during the entire conversion process for this flow direction. If the direction of flow changes, the process is reproduced elsewhere. Pulsations in direction and speed are recorded and usable.
  • the method can be implemented in a simple manner.
  • the large number of flexible flaps 1 also minimizes the vertical surface of the flow module.
  • a small resistance is opposed to the parallel flow, so that the tilting moments are small.
  • the process results in economically usable devices that have simplicity and inexpensive manufacturing options.
  • the operational safety is increased, the operating costs are reduced at the same time, since the required supporting structure 6, designed as a cage-like lattice structure, can at the same time become part of the flap system.
  • the forces arising from the inflow are absorbed by fluid mechanics and converted to usable energy to a very large extent so that damaging side effects cannot occur or, based on the structural design of the flow modules, are very low.
  • the method according to the invention is effective at all flow velocities. Operated with this procedure Flow modules are storm-proof and work at all flow velocities without the need for retention.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur energetischen Nutzung von Strömungsenergie in Parallelströmungen, insbesondere mittels von einer Parallelströmung angeströmten Strömungsmodulen, in welchen Wirbel generiert, Wirbelströmungen hergestellt und zu induzierenden Wirbelspulen aufgewickelt und/oder zu induzierenden Wirbelscheiben umgeformt werden, beispielsweise in parallelen und/oder spiraligen Drehströmungen. Die Erfindung beschreibt die partielle annähernd gleichmäßige Überleitung von expandierenden Wirbeln sowie Schritte, mit welchen ein Teil der Parallelströmung innerhalb mindestens eines zylindrischen Strömungsmoduls in Wirbelströmungen gewandelt und leeseitig hinter dem Strömungsmodul ein erstes Unterdruckgebiet erzeugt wird, die gewandelte Strömung mindestens eine Turbine antreibt und nachfolgend über die am Strömungsmodul vorbeiströmende Parallelströmung rotierend in das leeseitige erste Unterdruckgebiet abströmt und gleichzeitig abgesaugt wird sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drucksteuerung eines Klappensystems für Strömungsmodule.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur energetischen Nutzung von
Strömungsenergie
Besehreibung
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur energetischen Nutzung von Strömungsenergie' in
ParallelStrömungen, insbesondere mittels von einer
Parallelströmung angeströmten Strömungsmodulen, in welchen Wirbel generiert, WirbelStrömungen hergestellt und zu induzierenden Wirbelspulen aufgewickelt und/oder zu induzierenden Wirbelscheiben umgeformt werden, beispielsweise in parallelen und/oder spiraligen
Drehströmungen. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur indirekten Nutzung der
Strömungsenergie aus Parallelströmungen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drucksteuerung eines
Klappensystems für Strömungsmodule.
Die Erfindung ermöglicht die partielle, annähernd gleichmäßige Überleitung von expandierenden Wirbeln in eine energetisch genutzte ParallelStrömung. Insbesondere auf der Anströmseite eines in die ParallelStrömung expandierenden Wirbels werden aus dem dynamischen Druck der Anströmung hervorgerufene Pulsationen unterbunden, so daß eine relativ ungestörte Expansion hergestellt wird. Die Erzeugung nutzbarer Energie kann mit höheren Wirkungsgraden erfolgen. Zur Realisierung der Erfindung sollte eine freie Anströmung der an sich bekannten Einrichtungen gewährleistet sein. Die Erfindung ist vielfach in Parallelströmungen reproduzierbar .
Es wurde bereits ein Verfahren zur Energietransformation unter Nutzung eines expandierenden Wirbels vorgeschlagen. Danach werden in einer Parallelströmung in eine oder mehrere, rotierende HauptStrömungen in Form expandierender
Potentialwirbelscheiben WirbelStrömungen eingeleitet, diese fließen vorzugsweise rechtwinklig zur Drehachse in der expandierenden Rotation, induzieren gegenläufig Zusatzgeschwindigkeiten und erhöhen einerseits die Umfangsgeschwindigkeiten der HauptStrömungen, gleichzeitig werden direkt in die Parallelströmung gerichtete Massenströme induziert, aus Gründen der Energieerhaltung entsteht ein Molekularkräftepotential zu Potentialwirbeln anderer Ebenen über Potentialkernwirbelströmungen, so daß mindestens eine axiale Translation geschwindigkeitserhöht wird.
Dabei fließt in einer Parallelströmung in Strömungsmodulen eine, durch einen Doppelpotential- wirbel und einer, mit maximaler Umfangsgeschwindigkeit verbindenden Potentialkernwirbelströmung gebildete, mit senkrecht zur Parallströmung eingestellter Drehachse hergestellte HauptStrömung. In einer Ebene des Doppelpotentialwirbels wird durch Radienverringerung und Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeiten Druck aufgebaut, in der anderen Ebene durch Radienvergrößerung und Erhöhung der Geschwindigkeiten des abfließenden Massenstromes Unterdruck erzeugt. Es erfolgt eine reproduzierbare Disproportionierung des mittleren Energieniveaus der Parallelströmung, das hergestellte Potential wird zur energetischen Nutzung der ParallelStrömung eingesetzt, indem beispielsweise im Bereich des Druckaufbaus im Doppelpotentialwirbel eine Turbine angetrieben wird. Werden in der Turbine Wirbelströmungen generiert, so wird in der verbindenden Potentialkernwirbelströmung eine dynamische Wirbelspule hergestellt, welche die Turbinenkennlinie der Drehzahl linearisiert, so daß sie mit den typischen Generatorkennlinien sehr gut übereinstimmt.
Die Baugrößen von Anlagen zur Strömungsenergienutzung bestimmen aber ihre Einsetzbarkeit und den wirtschaf lich notwendigen Aufwand. Um eine wirtschaftliche Erzeugung nutzbarer Energie zu gewährleisten, sind die Baugrößen und ihre Einordnungsfähigkeit in eine ParallelStrömung wesentliche Parameter. Die Erhöhung des nutzbaren, durch Disproportionierung des mittleren Energieniveaus der Parallelströmung hergestellten Potentials in den Strömungsmodulen ist deshalb anzustreben.
Weiter wurde ein Verfahren vorgeschlagen, nach welchem Strömungsenergie einer Parallelströmung über projizierten Anströmflächen von staudrucknutzenden Strömungsmodulen in höhere Abflußgeschwindigkeiten im Wirkungsbereich eines Doppelpotentialwirbels konzentriert wird, in höhere Potentiale transformiert, zur energetischen Nutzung eingesetzt und unmittelbar in das Strömungsfeld der erzeugenden Parallelströmung abgeleitet werden kann.
In einer Parallelströmung werden eine oder mehrere HauptStrömungen in Form von bereits vorgeschlagenen Doppelpotentialwirbeln mit scheibenförmigen, expandierenden Potentialwirbeln auf einer Drehachse mit entgegengesetzter Translation erzeugt, in Durchströmräumen in der ParallelStrömung zu Rotationen mit beiderseitig angenähert gleichem Kurvenverlauf des Expansions- sowie Geschwindigkeitsfeldes vereinigt und mit diesem hyperbelartigen Kurvenverlauf definierte Oberflächen von sogenannten Hyperwirbeln sowie zwischen den Strömungsmodulen und Hyperwirbeln strömungs- mechanische Freiräume hergestellt. In diesen Freiräume werden beiderseitig des Hyperwirbels WirbelStrömungen höherer Umfangsgeschwindigkeiten generiert und/oder in diese eingeleitet, welche direkt in die Parallelströmung fließen. Die Induktionsrichtungen dieser WirbelStrömungen entsprechen beidseitig, mit Bezug zu äußeren Radien den Drehrichtungen der Hyperwirbel oder sind radial gerichtet . Es resultieren induzierte Umfangsgeschwindigkeitserhöhungen auf den Außenradien der Hyperwirbel, über den Umfang fließen größere Massenströme ab, die aus Gründen der Energieerhaltung aus dem Inneren der Hyperwirbel nachgezogen werden. Es entsteht die neue Wirkung, daß eine ParallelStrömung durch Hyperwirbel geteilt und über deren Oberflächen umgelenkt werden kann.
Werden in diesen Bereichen Wirbel generiert, so kann die Energie der Parallelströmung direkt in Induktionen über den Oberflächen der Hyperwirbel gewandelt werden. Dabei entsteht ein halbseitiger Antrieb durch die Parallelströmung in den Freiräumen, insbesondere auf den äußeren Radien. Die WirbelStrömungen können aufgrund der Rotation der Oberflächen der Hyperwirbel und der in den Freiräumen induzierten Umfangsgeschwindigkeit direkt in die Parallelströmung abfließen.
Prinzipiell die gleiche Wirkung erreichen aus den Strömungsmodulen in die Freiräume eingeleitete WirbelStrömungen. Die Parallelströmung wirkt auch hier einseitig als Antrieb auf diese WirbelStrömungen, die eine entsprechend spiralförmige Fließrichtung einstellen. Es entsteht die neue Wirkung, daß eine Parallelströmung durch Hyperwirbel geteilt und über deren Oberflächen beiderseitig umgelenkt werden kann.
Es entsteht weiterhin die neue Wirkung, daß Richtungsänderungen und Pulsationen der Anströmung im Bereich des Hyperwirbels ohne nachteilige Folgen aufgenommen werden. Pulsationsenergie kann geglättet genutzt werden, d.h., sie wird in pulsierende Rotationen gewandelt .
Nachteilig ist der direkte Übergang der Hyperwirbel in die Parallelströmung, weil damit Druck- und Unterdruckgebiete direkt am Wirbel entstehen und wirken. Diese sind zwar bei Hyperwirbeln minimiert, es sind aber durch die Pulsationen strömungsmechanische Grenzen für die Funktion der Wirbel gezogen, die durch die Anströmgeschwindigkeit und durch die Umfangsgeschwindigkeiten der Wirbel determiniert werden .
Mit der PCT/DE92/00450 wurde ein Verfahren und eine Einrichtung bekannt, nach welchen in Strömungsmodulen Drehströmungen aus paralleler Anströmung erzeugt werden. In den inneren Drehströmungen sind Wirbelerzeuger auf konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei die Wirbelerzeuger nach verschiedenen Anströmungen Wirbelfäden generieren, Kanten- oder Schlauchwirbel herstellen. Diese werden dann durch die parallele Drehströmung zu Wirbelspulen in den Strömungsmodulen aufgewickelt, welche eine axiale Zusatzgeschwindigkeit induzieren. Es resultiert eine Verstärkung des -Axialstromes und eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit in den Strömungsmodulen. Dabei wird ein innerer Hohlkörper angeströmt, in den ein Axialstrom sowie eine Vielzahl von induzierenden Wirbelströmungen geleitet werden, so daß im Wirkungsbereich des Potentialwirbels eine Turbine angeordnet oder der Hohlkörper direkt als Turbine genutzt werden kann. Der Wirkungsgrad dieser Einrichtungen hängt im wesentlichen von der Zirkulation der Wirbel erzeugenden Elemente ab.
Weiterhin ist es bekannt, Klappen an Strömungsmodulen anzuordnen, wie das in der EP 0 591 467 Bl beschrieben ist. Der Staudruck öffnet die Klappen und ermöglicht eine tangentiale Einströmung in ein Strömungsmodul, so daß eine innere Drehströmung erzwungen wird. Bei festen Klappen stellt sich ein maximaler Öffnungswinkel über dem Halbkreis von 30° ein, da durch den inneren Strömungsdruck die restlichen Klappen über dem Kreis geschlossen werden. Aus der EP 0 077 698 A2 ist eine Zwangssteuerung von Klappen bekannt, mit der versucht wurde, Klappen im Staudruckbereich und zugleich im Lee der zylindrischen Einrichtung zu öffnen, um eine rotierende Durchströmung nutzbar zu machen. Die Steuerung der Klappen soll windrichtungsabhängig durch eine Windfahne erfolgen.
Weiter ist aus dem Gebrauchsmuster G 94 15 787.1 bekannt, flexible Klappen anzuordnen und segelartig zu befestigen. Damit ist eine Vergrößerung des Öffnungswinkels der angeströmten Klappen über 30° hinaus erreichbar.
Alle bekannten Anordnungen haben einen gemeinsamen
Nachteil, der in den analogen Versuchen besteht, Windenergie direkt in mechanische Energie zu wandeln und zur Klappenbewegung sowie -Steuerung einzusetzen. Dadurch wirkt die bekannte Pulsation des Windes direkt auf diese Anordnungen, die Folge sind kostenungünstige Konstruktionen, die diesen Kräften standhalten können. Entsprechend hoch sind die für den Betrieb derartiger Anlagen entstehenden Aufwendungen für Instandhaltungen und Reparaturen. Es sind bisher auch keine wirtschaftlich genutzten Anlagen bekannt geworden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches, auf eine projizierte Anströmfläche der Parallelströmung bezogen, die Herstellung von Energiekonzentrationen vor den expandierenden Wirbeln und Energiewandlungen derart ermöglicht, daß höhere Ab lußgeschwindigkeiten im Wirkungsbereich der expandierenden Wirbel durch die Anströmung hergestellt und eine relativ ungestörte Überleitung in das Strömungsfeld der erzeugenden Parallelströmung eingestellt werden können. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem der Wirkungsgrad der Strömungsmodule durch Vergrößerung der Menge der in die Strömungsmodule einströmenden Strömungsanteile erhöht werden kann sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu realisieren, nach welchen eine Steuerung und Anströmrichtungseinstellung der Klappen derart erfolgt, daß die anströmende Parallelströmung zu größeren Anteilen direkt in Druck und Rotation gewandelt wird und daß Pulsationen der Anströmung als gewandelte Energien einsetzbar werden.
Die Vorrichtung soll einfach herstellbar und servicefreundlich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1, 4, 5, 16 und 20. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Erfindungsgemäß werden in einer ParallelStrömung vor expandierenden Wirbeln mittels trichterförmiger Kreisringführungen über 360° durch die Anströmung verschiebbare Staudruckgebiete in der Anströmung hergestellt. Durch die trichterförmige Erzeugung der Staudruckgebiete werden in den Anströmbereichen Strömungsumlenkungen erzeugt, welche für die dahinter drehenden Wirbel Abströmbereiche herstellen und die Wirbel gegen den Anströmungsdruck abschirmen. Der leeseitige Unterdruck kann bis in diese Abströmgebiete in die Anströmung hineinwirken. Es wurde gefunden, daß um eine Rotation gelegte Unterdruckgebiete WirbelStrömungen stabilisieren. Die expandierenden Wirbel werden dadurch gleichmäßiger in die Parallelströmung überführt und über ihrer Drehachse stabilisiert.
Bei wechselnden Anströmrichtungen wechseln die Staudruckgebiete selbsttätig mit. An den Rückseiten der Staudruckgebiete haften die Wirbel strömungsmechanisch und werden über ihrer Drehachse in der Parallelströmung stabilisiert. Das leeseitig an zylindrischen Strömungsmodulen wirkende Unterdruckgebiet wirkt auf die Wirbelumgebung, der Massenabtransport erfolgt beschleunigt in das Unterdruckgebiet . Die Rückwirkungen auf den Wirbelkern sind dadurch gering. Die über die Staudruckgebiete fließende Strömung wird gleichzeitig teilweise zu den Wirbel erzeugenden Strömungsmodulen umgelenkt und zur Erhöhung des Staudrucks vor diesen S römungsmodulen eingesetzt . Dadurch steigt der in den Strömungsmodulen nutzbare Energieanteil . Diese Verfahrensschritte sollen nachfolgend näher erläutert werden. Auf einer Drehachse werden ein oder mehrere Potentialwirbel als HauptStrömungen mit einem gemeinsamen Axialstrom hergestellt und durch die ParallStrömung angetrieben. Dazu werden an sich bekannte Strömungsmodule mit selbsttätig arbeitenden Klappensystemen und mindestens einer Ausströmöffnung eingesetzt . Zwischen den Potentialwirbeln werden Kernwirbelströmungen hergestellt, so, daß Potentialdoppelwirbel ausgebildet werden, wobei Staudruck- und Unterdruckgebiete in der ParallelStrömung entstehen.
In den Potentialdoppelwirbeln werden in einer Ebene expandierende Potentialwirbel mit nach außen abnehmenden Umfangsgeschwindigkeiten und, durch Potentialwirbelkernströmungen miteinander verbunden, in einer anderen Ebene tangentiale Einströmungen und nach innen ansteigende Umfangsgeschwindigkeiten hergestellt.
In diesem Potentialwirbel kann ein Vertikalachsenrotor mit Wirbel generierenden Schaufeln angeordnet sein. In einem oder mehreren Wirbeln mit gemeinsamer Drehachse zum Potentialdoppelwirbel werden WirbelStrömungen erzeugt und in die Rotationen eingelager . Die Wirbelkernströmungen mit eingelagerten Wirbelströmungen werden in einem von der Parallelströmung frei durchströmbaren, zur gemeinsamen Drehachse rotationssymmetrischen Expansionsraum umgelenkt und ein expandierender Potentialwirbel hergestellt. Auf gleicher Drehachse kann über dem expandierenden Potentialwirbel ein zweiter, expandierender Potentialwirbel mit entgegengesetzter Translation eingeleitet werden. Beide Potentialwirbel vereinigen sich über der gemeinsamen Drehachse zu einem Hyperwirbel, welcher beiderseitig hyperbolische Strömungsformen sowie stationäre Strδmungszustände herstellt. Im Expansionsraum entstehen Freiräume, welche durch die hyperbolischen Strömungsformen determiniert sind. Es resultiert eine Gesamtrotation in den Freiräumen, die zur Wirbelgenerierung genutzt wird. WirbelStrömungen werden unmittelbar am Wirkungsort generiert und fließen in der Gesamtrotation über dem Hyperwirbel direkt in die Parallelströmung ab. Im äußeren Bereich des Hyperwirbel-- induzieren diese Wirbelströmungen beiderseitig Zusatzgeschwindigkeiten im Hyperwirbel, welche den Umfangsgeschwindigkeiten überlagert werden . Das durch Radienvergrößerung abnehmende Umfangsgeschwindigkeitspotential wird wieder erhöht. Die Flächenverhältnisse der äußeren Abströmung und der inneren Zuströmung sind einstellbar. Entsprechend dieser Flächenverhältnisse sind die Geschwindigkeiten des Massenstromes innerhalb des Wirbelsystems einstellbar. Zur Stabilisierung der Wirbel und der vorgesehenen Beschleunigungen der äußeren Umfangsgeschwindigkeiten werden um die Wirbel oder Hyperwirbel Staudruckgebiete in der Anströmung erzeugt. Mittels trichterförmiger Kreisringführungen, welche beispielsweise in Bezug zur Drehachse oben durch schräggestellte Gitter und unten mit gleichem Winkel durch umlaufende Ringe und einem Klappensystem gebildet werden, werden zugleich mit der Erzeugung der Staudruckgebiete Abströmgebiete um die Wirbel hergestellt, indem die Staudruckgebiete genügend weit vor den Wirbeln erzeugt und die Strömung um die Wirbel umgelenkt wird. Es können auch senkrechte Doppelklappen eingesetzt werden, welche sich durch die Anströmung schließen und leeseitig geöffnet bleiben. Die expandierenden Wirbel werden abgeschirmt, der Anströmdruck kann nicht auf sie wirken. Prinzipiell verlaufen die Stromlinien dann analog zu einer Quelle in einer Parallelströmung, wobei die Quelle hier hinter der Abschirmung als Wirbel arbeitet und der Massenstrom in den Abströmbereichen geführt und in die ParallelStrömung überführt wird.
Die voranstehend beschriebenen Verfahrensschritte können auf einer Ebene angewendet und in verschiedenen Ebenen wiederholt werden.
Es resultiert die neue Wirkung einer abgeschirmt rotierenden Expansion von Wirbeln oder Hyperwirbeln. Werden in den Wirbeln oder Hyperwirbeln durch eingelagerte WirbelStrömungen Zusatzgeschwindigkeiten induziert, so können die Induktionen über dem Fließweg der WirbelStrömungen aufrechterhalten werden. Wirbelaufplatzen durch Druckänderungen wird vermieden. Die Feldlinien aller WirbelStrömungen sind in der jeweiligen Induktionsrichtung gleichgerichtet und schließen sich in der Wirbelströmungsebene.
Der in der jeweiligen Anströmfläche der Parallelströmung anströmende Massenstrom kann geschwindigkeitskonzentriert in voller Größe durchgesetzt und gleichmäßiger in die ParallelStrömung zurückgeführt werden, so daß die Potentialwirbelstromfunktion für die Leistung des Wirbelsystems voll ausnutzbar wird.
Reaktionswirkungen beschränken sich auf die Abströmung, insbesondere auf Änderungen des Geschwindigkeitsfeldes der Abströmung in den Staudruckbereichen, welche für die Induktionsvorgänge im Wirbelsystem ohne negativen Einfluß bleiben. Die in den Wirbeln eingeleiteten WirbelStrömungen sind nur in den Wirbeln als Hauptströmung stabil. Mit Übergang in die Parallelströmung platzen sie auf, Umweltbeein- trächtigungen sind nach diesem Verfahren nicht herstellbar.
Die Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ist damit in ParallelStrömungen zur Herstellung nutzbarer Energien für alle Einsatzmöglichkeiten mechanischer oder strömungsmechanischer Energien möglich.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die indirekte Nutzung der Strömungsenergie im Lee der Strömungsmodule keine Gegenströmung entsteht, sondern ein gezielt erzeugtes Unterdruckgebiet, welches aus den Strömungsmodulen aufgefüllt wird, indem ein Teil der ParallelStrömung innerhalb mindestens eines zylindrischen Strömungsmoduls in Wirbelströmungen gewandelt und leeseitig hinter dem Strömungsmodul ein erstes Unterdruckgebiet erzeugt wird, die gewandelte Strömung mindestens eine Turbine antreibt und nachfolgend über die am Strömungsmodul vorbeiströmende ParallelStrömung in das leeseitige erste Unterdruckgebiet rotierend expandierend abströmt und gleichzeitig abgesaugt wird derart, daß ein zweites Unterdruckgebiet innerhalb des Strömungsmodules erzeugt und damit die Menge der in das Strömungsmodul einströmenden Parallelströmung vergrößert wird.
Ebenso ist es möglich, daß ein drittes Unterdruckgebiet um die rotierende Abströmung gelegt wird, innerhalb des Strömungsmodules ein zweites Unterdruckgebiet durch Ab- und Zuströmflächenverhältnisse drehachsenparallel erzeugt und damit die Menge der in das Strömungsmodul einströmenden ParallelStrömung vergrößert wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bereits eine relativ geringe Strömungsleistung zur Elektronenenergieerzeugung ausreicht, indem durch die Herstellung des ersten Unterdruckgebietes im Lee des Strömungsmodules sowie des zweiten Unterdruckgebietes innerhalb des Strömungsmodules eine Saugfläche auf der Staudruckseite eines Strömungsmodules erzeugt wird beziehungsweise indem durch die Herstellung des ersten Unterdruckgebietes im Lee des Strömungsmodules sowie des dritten Unterdruckgebietes um die rotierende Abströmung und des zweiten Unterdruckgebietes eine rotierende Senke vor der Staudruckseite eines Strömungsmodules erzeugt wird, die mit anderen Strömungsmodulen kommunizier .
Das Wesen der Erfindung liegt in der Kommunikation der Strömungsmodule im Windfeld, der in einer oder mehreren Ebenen sich verändernden, projizierten Anströmfläche aller Module.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine äußere Anströmung in einem Strömungsmodul teilweise in eine Vielzahl von sich gegenseitig einstellende und abstützende, veränderliche, auf äußeren Radien im Strömungsmodul wirkende Druckpolster, in Durchströmungsdruck und in eine innere Drehströmung gewandelt, hergestellte Druckpolster während der Anströmung aus beliebigen Richtungen verändert, abgebaut oder neu hergestellt und als durchströmbare Druckspeicher betrieben.
Diese Verfahrensschritte bestehen in der Kombination der Wandlungsprozesse der ParallelStrömung in innere Drehströmungen mit der Herstellung einer Vielzahl von auf äußeren Radien, innerhalb des Strömungsmoduls wirkenden, flexiblen Druckpolstern, die sich über dem Kreisbogen gegenseitig abstützen. Der Staudruck der Parallelströmung wird innerhalb des Strömungsmoduls in eine Vielzahl von Druckpolstern aufgeteilt, so daß außen kein Staudruckfeld in die Parallelströmung zurückwirken kann, die Parallelströmung also vollständig an das Strömungsmodul anströmen kann.
Die anströmende Parallelströmung wird, ausgehend von der maximalen Staudrucklinie, innerhalb des Strömungsmodulε zwischen flexiblen Begrenzungen in Druck und Durchströmungsdruck gewandelt, wobei die flexiblen Begrenzungen parallel zur Durchströmung aus Flächengeweben bestehen und in der tangentialen Einströmung seilartige Zugelemente als Steuerungelemente wirken. Die verfahrensgemäß beweglichen Wände werden von den Druckpolstern in die Form bewegt, welche durch die im Druckpolster und außerhalb dieses Druckpolsters durch die links und rechts entstehenden benachbarten Druckpolster auf die flexiblen Wände wirkenden Drücke eingestellt wird. Dadurch werden verschiedenartige Ausbildungen der Druckpolster eingestellt, welche sich reproduzierbar mit der Anströmrichtung ändern können.
Die AbStützung der Druckpolster an den flexiblen Wänden bewirkt eine Aufteilung des Durchströmraumes in eine Zone höherer Durchströmgeschwindigkeit und ein Druckpolster mit kleinerer Durchströmgeschwindigkeit. Pulsationsenergie der ParallelStrömung wird auf diese Weise in nutzbare Energie in die Drehströmung des Strömungsmoduls eingeleitet und gleichzeitig in den Druckpolstern des Klappensystems zur Windnachführung und als zeitweilig gespeicherte Energie für den Betrieb des Strömungsmoduls genutzt. Die tangentiale Einströmung der Parallelströmung in das Strömungsmodul erfolgt über dem Kreisbogen gleichmäßig, die innere Drehströmung kann sich ungestört ausbilden. Einwirkungen der Parallelströmung entgegen der Drehrichtung der inneren Drehströmung sind ausgeschlossen, die Parallelströmung kann im geöffneten Klappenbereich antreibend in die innere Drehströmung übergehen .
Das hier beschriebene Verfahren hat die neue Wirkung, Druckspeicherpotentiale im Wandlungsprozeß der Parallelströmung in eine innere Drehströmung herzustellen und aufrechtzuerhalten. Durch die Lage der seilartigen Zugelemente, die in Drehrichtung der inneren Drehströmung jeweils an einer inneren Klappenspitze angesetzt sind und auf der folgenden Klappe nach außen verschoben befestigt sind, können die Formen der Druckpolster bestimmt werden. Die Öffnung einer Klappe bewirkt immer eine Zugspannung in der anderen Klappe, die damit ihre Lage ändern muß, bis die auf diese Klappe wirkenden Drücke ausgeglichen sind. Der Öffnungsbereich der Klappen kann in bekannter Weise noch vergrößert werden, wenn an den beiden Seiten des Strömungsmoduls, an denen die ParallelStrömung vorbeiströmt, strömungsmechanische Leiteinrichtungen vorgesehen werden, welche eine senkrechte Anströmung in diesen Bereichen durch Strö ungsumlenkungen oder -beschleunigungen bewirken. Hier kann besonders vorteilhaft der bekannte Magnus- Effekt ausgenutzt werden, indem beispielweise Zylinder durch die Parallelströmung derart in Rotation versetzt werden, daß sie sich selbst auf die seitlichen Klappen ausrichtet und diese annähernd senkrecht anströmt. Da die erforderlichen Rotationen und die rotierenden Massen vergleichsweise klein sind, stellen sie keine Gefährdungen für die Umwelt dar. Dadurch entstehen die erforderlichen Druckdifferenzen, welche eine Öffnung der betreffenden Klappen bewirken. Die Klappen können über 180° des Kreises, praktisch senkrecht zur ParallelStrömung, öffnen. Auf diese Weise kann die projizierte Anströmfläche noch vergrößert werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig.l eine Realisierungsvariante mit insgesamt sechs Strömungsmodulen
Fig. 2 eine Draufsicht auf Fig. 1
Fig. 3 ein Ausschnitt der Klappenfunktionen eines Strömungsmoduls
Fig. 4 eine vergrößerte Detaildarstelung aus Fig. 3.
Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, sind sechs Strömungsmodule 1 nach spezifischen Berechnungen konzipiert. Jeweils zwei Leistungsmodule haben einen 500 kW-Generator mit zwei auf der Generatorwelle angeordneten Turbinen, der auch als zwei mal 250 kW- Ausführung angeordnet werden kann. Die Größenverhältnisse zeigen, daß die Leistung ohne weiteres auf 3MW erhöht werden kann, wenn der untere oder obere freie Teil mit nochmals sechs Strömungsmodulen 1 besetzt wird. Energetisch macht das keine Probleme, da die Energie aus Windenergie und Druck bezogen wird. Lediglich eine freie Anströmung muß immer gewährleistet sein. Deshalb werden die Strömungsmodule in der Hauptwindrichtung eines Standortes so ausgerichtet, daß alle vollständig anströmbar sind. Durch Einstellung der Abstände untereinander kann ebenfalls eine vollständige Anströmung bei beliebigen Anströmrichtungen erreicht werden. Die Vorteile der Modulbauweise können schon bei der Planung von Windenergieanlagen zur Bedarfs- und Standortanpassung voll ausgenutzt werden. Das System ermöglicht eine multivalente Nutzung während des Betriebes, ohne daß Beeinträchtigungen aus den verschiedenen Nutzungen entstehen können.
Der ausgewählte Standort der Strömungsmodule 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist mit 270 W/m2 ausgewiesen. Es sind die für freifahrende Turbinen typischen Verhältnisse der direkten Windenergienutzung berücksichtigt. Insbesondere die erforderliche Nabenhöhe von etwa 50m für 500 kW-Anlagen bestimmt die Leistungsangaben. In dieser Höhe sind die Strömungsmodule 1 vorgesehen.
Am Beispiel einer, mit freifahrenden Turbinen nicht vergleichbaren Ausführungsvariante soll der Wirkmechanismus erläutert werden.
Der Wind 2 wird in den Strömungsmodulen 1 in Wirbel und WirbelStrömungen gewandelt. Die WirbelStrömungen induzieren nach dem Biot-Savart'sehen Gesetz Zusatzgeschwindigkeiten. Es resultieren technisch nutzbare, partielle Energiedichteerhöhungen im Wirbelsystem.
Der anströmende Wind 2 trifft senkrecht auf die
Strömungsmodule l, die Einströmungen erfolgen tangential durch ein innendruckgesteuertes Klappensystem 3 mit über 360° selbsttätiger Windnachführung. Die Ausströmung der genutzten Luftmassen erfolgt strömungsparallel in Rotation aus einem scheibenförmigen Expansionsraum 6 in das leeseitige Unterdruckgebiet 4. Das Unterdruckgebiet 4 stellt strömungsmechanisch eine Senke im Windfeld dar.
Aus einer Expansionsscheibe 6 von Strömungsmodulen l mit einem äußeren Durchmesser von 10 m und 31,4m2 Abströmfläche fließen beispielsweise 94,2 m3/s direkt in diese Senke ab. Durch Rotation und direkten Abfluß in die Senke sind Ruckströmungen in die Strömungsmodule 1 ausgeschlossen.
Der Volumenstrom kommt aus Gründen der Drehimpulserhaltung nur aus dem Inneren der Expansionsscheibe. Es erfolgt eine strömungsmechanische Geschwindigkeitskonzentration dieser 94,2 m3/s auf eine 1 m2 große Zuströmfläche mittig im Expansionsraum. Der Abströmimpuls geht mit Schallgeschwindigkeit durch das Wirbelsystem.
Der Unterdruck kann sich aber in einem materiell offenen System nicht aufbauen, er wird durch Wandlung von potentieller Energie in kinetische Energie aufgehoben. Die Wandlung erfolgt im Turbinenbereich, an der die Druckdifferenz auftreten würde. In der Turbine agiert eine schwingende Luftsäule als Übertrager. Der Volumenstrom wird dann durch einen Turbinenausströmquerschnitt durch das Leistungsmodul in den Expansionsraum 6 nachgeliefert, es resultiert eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit des Wirbels, der die Turbinen antreibt. Die dafür zusätzlich notwendige Energie wird aus dem Druck bezogen, der außen auf der Staudruckseite 5 am Leistungsmodul 1 wirkt. Das heißt, es wird ein drehachsenparalleles, technisches Tiefdrucksystem genutzt und potentielle Energie direkt an der Turbine in kinetische Energie gewandelt.
Dieses rotationssymmetrische, technische Tiefdrucksystem wirkt durch die Turbine in den die Turbine antreibenden Potentialwirbel. Da der erforderliche Massenstromausgleich nur über tangentiale Einströmungen in das Leistungsmodul 1 möglich ist, muß die Umfangsgeschwindigkeit entsprechend ansteigen.
Grundlage dieses Wirkmechanismus ist das Entropieverhalten der Atmosphäre. Der dynamische und/oder statische Druck der Luft muß partielle Unterdrücke in der Atmosphäre ausgleichen. Bei 50% Wirkungsgrad beträgt die austragbare Leistung etwa 250 kW el . Der Jahresertrag eines Wirbelsystemes in Strömungsmodulen einer Säule mit 500 kW Nennleistung kann dann etwa 2 GWh betragen.
Das innendruckgesteuerte Kunststoff-Klappensystem 3 der Strömungsmodule 1 gestattet eine selbsttätige Windnachführung über 360°. Alle rotierenden Teile sind durch eine Käfigkonstruktion geschützt.
Die grundsätzliche Tragwerkskonzeption nach Fig. 2 ermöglicht einfache Bauausführungen und multivalente Nutzung. Bei höheren Anströmgeschwindigkeiten werden die in den Strömungsmodulen wirkenden Kippmomente tendenziell kleiner. Die mit vertikaler Drehachse in den Leistungsmodulen angeordneten Turbinen/Generator- ko binationen, die bei Nennleistung mit hohen Drehzahlen, beispielsweise etwa , 1000 U/min laufen können, bewirken eine zusätzliche Stabilisierung durch die rotierenden Massen. Die Pulsationen des Windes werden in den antreibenden Wirbeln geglättet nutzbar gemacht . Die Strömungsmodule 1 arbeiten bei allen Anströmgeschwindigkeiten - es besteht kein Abschaltzwang.
Die Rotor-Drehzahlen eines Vertikalachsen-Hohlkörper- Rotors sind über die Anströmgeschwindigkeit linearisiert und damit durch eine, unter Last wirkende dynamische Wirbelspule an die Leistungskennlinien des Generators angepaß . Es können keine Schwingungen entstehen, der Potentialwirbel im Leistungsmodul strömt den Rotor allseitig gleichmäßig an. Schallemissionen sind nicht zu erwarten. Lebende Arten können den Rotor nicht erreichen.
Das leeseitige Unterdruckgebiet wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur zu etwa einem Viertel von dem induzierten Volumenstrom aufgefüllt. Es bestehen also demzufolge noch Leistungsreserven.
Zusammenfassend wird dieses Ausführungsbeispiel wie folgt charakterisiert:
Die aus den Strömungsmodulen 1 abströmenden Luftmassen gelangen in ein Gefälle des Windfeldes, die induzierte Zusatzgeschwindigkeit befördert sie ohne Gegendruck in das leeseitige Unterdruckgebiet 4. Es reicht also eine Windleistung aus, die für eine Querverschiebung der Luftmassen in der Windströmung erforderlich ist. Die Verstärkerwirkung tritt im Wirbelsystem durch Geschwindigkeitskonzentration ein, da der induziert abfließende Volumenstrom durch Rotation und durch das Gefälle keine Rückströmungen zuläßt und der Abströmimpuls mit Schallgeschwindigkeit durch das Wirbelsystem geht. Die fehlende Luftmasse im Wirbelsystem wird aus dem außen am Strömungsmodul 1 herrschenden Druck ersetzt.
Das durch die Strömungsmodule 1 geschaffene leeseitige Unterdruckgebiet 4 existiert über der Zeit, bis die aus dem noch vorhandenen Unterdruck resultierende Rückströmung eintrifft. Diese gezielt erzeugte Situation wird energetisch ausgenutzt.
Das folgende Ausführungsbeispiel beschreibt die Drucksteuerung des Klappensystems. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind an einem käfigartigen Tragwerk 6 eines Strömungsmoduls Klappen 1 aus flexiblem Flächengewebe angeordnet. Sie sind jeweils an den inneren Kanten mit mehreren seilartigen Zugelementen 2, in Drehrichtung der herzustellenden inneren Drehströmung nach außen versetzt, mit der folgenden Klappe 1 verbunden. Im Ruhezustand nehmen sie eine beliebige Lage ein.
Die Befestigung der Zugelemente erfolgt derart, daß der Ziehbefestigungspunkt der Zugelemente an den Klappen an oder nahe an der Außenkante und der Haltebe- festigungspunkt in einem Abstand (A) in Richtung der Klappenbefestigung angeordnet ist, wobei die Länge und Anordnung der Zugelemente so bemessen ist, daß eine strömungsmechanisch optimale Klappenöffnung erfolgt.
Aufgrund der kreisförmigen Anordnung erfolgt die
Anströmung in zeitlicher Reihenfolge immer zuerst über einer maximalen Staudrucklinie eines zylindrischen Körpers . Die Einströmung bewirkt einen Druck auf die Klappen 1 aus flexiblen Flächengeweben, der sie in die für die Durchströmung günstigste Lage einstellen muß. Es resultiert in den seilartigen Haltelementen 2 eine Zugspannung, die auf die mittleren Bereiche der in tangentialer Einströmrichtung folgenden Klappe 1 wirkt. Die flexible Fläche der Klappe 1 wird entgegen der Einströmrichtung bewegt, bis sich Druck- und Zugkräfte ausgleichen. Die resultierende Ausbauchung beinhaltet das Druckpolster 7, das während des gesamten Wandlungsvorganges für diese Anströmrichtung aufrechterhalten wird. Ändert sich die Anströmrichtung, wird der Vorgang an anderer Stelle reproduziert. Pulsationen in Richtung und Geschwindigkeit werden aufgenommen und nutzbar eingesetzt. Das Verfahren ist in einfacher Weise realisierbar. Durch die Vielzahl der flexiblen Klappen 1 wird außerdem die senkrechte Angriffsfläche des Strömungsmoduls minimiert. Der Parallelströmung wird ein geringer Widerstand entgegengesetzt, so daß die Kippmomente klein sind. Es resultieren nach dem Verfahren wirtschaftlich nutzbare Einrichtungen, die Einfachheit und kostengünstige Herstellungsmöglichkeiten aufweisen. Die Betriebssicherheit wird erhöht, die Betriebskosten werden gleichzeitig verringert, da daß erforderliche, als käfigartige Gitterstruktur ausgebildete Tragwerk 6 nach der Erfindung zugleich Teil des Klappensystems werden kann. Die aus der Anströmung entstehenden Kräfte werden erfindungsgemäß strömungsmechanisch aufgenommen und zu sehr großen Anteilen in nutzbare Energie gewandelt, so daß schädigende Nebenwirkungen nicht entstehen können oder, bezogen auf die konstruktive Ausbildung der Strömungsmodule, sehr gering sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei allen Anströmgeschwindigkeiten wirksam. Mit diesem Verfahren betriebene Strömungsmodule sind sturmsicher und arbeiten bei allen Anströmgeschwindigkeiten ohne Absehaltzwang.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der Merkmale weitere Ausführungsbeispiele zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur energetischen Nutzung und gleichmäßigeren Überleitung expandierender Wirbel in eine ParallelStrömung. wobei in einer Parallelströmung in staudrucknutzenden Strömungsmodulen, welche ein selbsttätig öffnendes und schließendes Klappensystem sowie mindestens eine Ausströmö fnung aufweisen, partielle Rotationen über einer gemeinsamen Drehachse durch Staudrucknutzung und tangentiale Einströmungen hergestellt und Staudruck- sowie Unterdruckgebiete in der Parallelströmung an den partiellen Rotationsgebieten ausgebildet und durch die ParallelStrömung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem oder mehreren Wirbeln über 360° in unterbrochener und/oder ununterbrochener, trichterförmiger oder ebener Kreisringführung erzeugbare Staudruckgebiete in beliebiger Anströmung in einer Parallelströmung hergestellt werden, mit den Staudruckgebieten in den Anströmbereichen durch Strömungsumlenkung Abströmbereiche ausgebildet und die Wirbel gegen die Anströmdruckwirkungen abgeschirmt werden.
2. Verfahren zur energetischen Nutzung und gleichmäßigeren Überleitung eines expandierenden Wirbels in eine ParallelStrömung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel an den Rückseiten der Staudruckbereiche strömungs- mechanisch festgemacht über ihrer Drehachse stabilisiert werden. Verfahren zur energetischen Nutzung und gleichmäßigeren Überleitung eines expandierenden Wirbels in eine Parallelströmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über die Staudruckgebiete fließende Massenströme teilweise die Umfangsgeschwindigkeit der expandierenden Wirbel erhöhen und partiell zur Erhöhung des Staudrucks an den die Wirbel erzeugenden Strömungsmodulen genutzt werden.
Verfahren zur indirekten Nutzung der Strömungsenergie aus Parallelströmungen, wobei ein Teil der Parallelströmung innerhalb mindestens eines zylindrischen Strömungsmoduls in WirbelStrömungen gewandelt und leeseitig hinter dem Strömungsmodul ein erstes Unterdruckgebiet erzeugt wird, die gewandelte Strömung mindestens eine Turbine antreibt und nachfolgend über die am Strömungsmodul vorbeiεtrömende Parallelströmung in das leeseitige erste Unterdruckgebiet abströmt und gleichzeitig abgesaugt wird derart, daß ein zweites Unterdruckgebiet innerhalb des Strömungsmodules erzeugt und damit die Menge der in das Strömungsmodul einströmenden Parallelströmung vergrößert wird.
5. Verfahren zur indirekten Nutzung der Strömungsenergie aus ParallelStrömungen, wobei ein Teil der ParallelStrömung innerhalb mindestens eines zylindrischen Strömungsmoduls in Wirbel- Strömungen gewandelt und leeseitig hinter dem Strömungsmodul ein erstes Unterdruckgebiet erzeugt wird, die gewandelte Strömung mindestens eine Turbine antreibt und nachfolgend über die am Strömungsmodul vorbeiströmende Parallelströmung in das leeseitige erste Unterdruckgebiet abströmt und gleichzeitig abgesaugt wird derart, daß ein dritttes Unterdruckgebiet um die rotierende Abströmung gelegt wird, innerhalb des Strömungsmodules ein zweites Unterdruckgebiet durch Abström-Zuströmflächenverhältnisse und eine rotationssymmetrische Geschwindigkeitskonzentration erzeugt und damit die Menge der in das Strömungsmodul einströmenden ParallelStrömung vergrößert wird und daß mehrere Strömungsmodule eine Anströmfläche im Strömungsfeld projizieren.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmgeschwindigkeit der gewandelten
Strömung durch Induktion erhöht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Unterdruckgebiet innerhalb der Turbine erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmungen in das zylindrische Strömungsmodul tangential durch ein innen- druckgesteuertes Klappensystem erfolgt . Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Herstellung des ersten
Unterdruckgebietes im Lee des Strömungsmodules sowie des zweiten Unterdruckgebietes innerhalb des
Strömungsmodules eine Saugfläche auf der
Staudruckseite des Strömungsmodules erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abströmende und abgesaugte gewandelte Strömung rotiert und damit Rückströmungen aus den vorbeitströmenden Parallelströmungen in das erste Unterdruckgebiet verhindert und daß mehrere rotierende Abströmungen in einer oder mehreren Ebenen des Strömungsfeldes miteinander kommunizieren .
11. Verfahren zur Drucksteuerung eines Klappensystems für Strömungsmodule, wobei die äußere anströmende ParallelStrömung durch flexible Klappen in eine innere Drehströmung umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anströmung jede durch die Anströmung direkt geöffnete Klappe eine indirekte Öffnung der in Drehrichtung der inneren Drehströmung folgenden Klappe bewirkt und im Bereich der Ausbauchungen der Klappen Druckpolster erzeugt werden, welche zumindest zeitweilig Energie für den Betrieb der Strömungsmodule speichern.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckpolster durchströmbare Druckspeicher sind.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 , dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Druckpolster sich gegenseitig beeinflussen.
14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 , dadurch gekennzeichnet, daß die Druckpolster über die flexiblen Begrenzungen der Klappen sich gegenseitig abstützen.
15. Vorrichtung zur Drucksteuerung eines KlappensySterns für Strömungsmodule, wobei die Klappen aus flexiblem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen (1) zur indirekten Klappenöffnung untereinander durch seilartige Zugelemente (2) verbunden sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ziehbefestigungspunkt (3a) der Zugelemente (2) an den Klappen (1) an oder nahe an der Außenkante (4) und der Haltebefestigungspunkt (3b) in einem Abstand (A) in Richtung der Klappenbefestigung (5) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappenbefestigung (5) an einem käfigartigen Tragwerk (6) mit Gitterstruktur realisiert ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und Anordnung der Zugelemente so bemessen ist, daß eine strömungsmechanisch optimale Klappenöffnung erfolgt .
19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Seiten des Strömungsmoduls, an denen die Parallelströmung vorbeiströmt, strömungsmechanische Leiteinrichtungen angeordnet sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtungen in Rotation versetzbare Zylinder aufweisen.
PCT/DE1997/001451 1996-07-05 1997-07-04 Verfahren und vorrichtung zur energetischen nutzung von strömungsenergie WO1998001671A1 (de)

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