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.