DE102017010903A1 - Vorrichtung zur Energiegewinnung aus Strömungen mittels Lamellenfeldern - Google Patents

Vorrichtung zur Energiegewinnung aus Strömungen mittels Lamellenfeldern Download PDF

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    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

Neuartige Vorrichtung zur Energiegewinnung aus Strömungen mittels horizontal - oder vertikal drehender Lamellenanordnungen , die das durch Ablenkung und Verwirbelung der Strömung gewonnene Drehmoment insgesamt als Feldanordnung in ihrem virtuellen Schwerpunkt, über dessen Hebelarm zur Drehachse, auf den Drehpunkt des Gesamtsystems übertragen, - was immer stets mindestens zwei oder mehr entgegen gesetzte Drehmomente in symmetrischer Anordnung erfordert, um so modulare Vertikal- oder Horizontalrotore zu bilden, die durch die Lamellenfelder insgesamt die gesamte Rotationsfläche zur Strömungsnutzung abdecken, sodass hier das Widerstandprinzip kombiniert wird mit dem Druck/Sog-Prinzip ,mittels differenzierter Flügelquerschnitte für jede Lamelle.
Die Energiegewinnung von Rotationsenergie geschieht sowohl in Luft als auch Wasser, wobei diese,- durch die vorgenannte Nutzung der gesamten Rotationsfläche als Widerstandfläche,- noch weiter erhöht wird durch Schräglage des rotierenden Gesamtsystems in Strömungsrichtung ,-
analog dem jeweiligen Neigungswinkel der Lamellen im System, mit dem zusätzlichen Effekt, daß die jeweils gegen die Strömung rotierenden Lamellen völlig offen für die Strömung sind , - die mit der Strömung rotierenden Lamellen jedoch für diese völlig verschlossen erscheinen und so dort den gesamten Strömungsdruck Momenten erhöhend aufnehmen, zusätzlich zu den Druck/Sogwirkungen an den Einzellamellen die durch ihre Profilierung ebenfalls in Drehrichtung gesaugt werden.
Im Ergebnis wird so eine deutliche Leistungserhöhung bei weniger Gewicht und Material gegenüber allen Standardpropellern gleichen Durchmessers erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine neuartige Vorrichtung zur Nutzung des Potentials von Strömungen, hier- Windenergie und Wasserenergie (Flussenergie/ Meeresströmungen).
  • Die Vorrichtung arbeitet mit Lamellenfeldern anstelle von Rotoren, Flügeln , Turbinen oder Ähnlichen, sowohl in Luft als auch Wasser.
  • Bislang sind Anlagen, die solche Energien gewinnen, teuer, unwirtschaftlich und schwierig zu platzieren, dabei wartungsintensiv und ineffizient. Sie kosten zwischen 3 und 4000 Euro je KW Nennleistung und setzen sich deshalb auch kaum im Markt durch. Das betrifft neben der Windkraft, teilweise auch die Wasserkraft. Die genutzte Windenergie kommt unregelmäßig und verursacht weitere Speicherungskosten.
  • Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, dieses Problem insgesamt zu lösen,- hier in Form einer neuen Technik zur Umwandlung von Strömungsenergie in mechanische Rotationsenergie und Anbindung an bekannte Folgesysteme gemäß dem Stand der Technik.
  • Die Aufgabe wird nun dadurch gelöst, dass einerseits der Materialverbrauch je KW Nennleistung sinkt,- gleichzeitig, neben geringerem Anlagengewicht, eine größere physische Arbeitsfläche bei gleichem Radius besteht im Vergleich zu Standardanlagen, Innerhalb eines gegebenen Rotationsradius werden so nun statt nur bislang 10-20% Flügelflaeche bis zu 90% Flächen realisierbar, wozu die bislang ungenutzten sogenannten „überstrichenen“ Flächen dienen.
  • Durch die größere Fläche und das verringerte Eigengewicht laufen die Anlagen wesentlich eher an bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten ab 1,5m/sec. und können damit die Jahreswindenergiemengen besser nutzen, wodurch auch sogenannte „schlechte“ Standorte nutzbar werden, die normal einfach nur nicht die hohen Windgeschwindigkeiten aufweisen, die schwerere Standardanlagen benötigen bis sie erstmal anlaufen (hier bei 1,5 m/sec statt bei 3 bis 5 m/ sec.)
  • Die Flexibilität der Anlagen an sich ist weiter sehr hilfreich, von Wartung , Aufbau und Modifikation her, kann ein modulares System natürlich hier ganz anders und vielfältiger genutzt werden.
  • Dies ist technisch, genehmigungsrechtlich und finanziell von großem Vorteil.
  • Als natürlicher Überlastschutz dient eine Verformungsfähigkeit der Einzellamellen die gegen den Strömungsdruck ab einem Grenzwert einfach durch leichte Verdrehung bzw. Verformung um ihre Längsachse nachgibt und sich so für die Strömung öffnet, was ihren Strömungswiderstand reduziert.
  • Grundsätzlich eignet sich dieses neue Lamellen Modulsystem für eine breite Palette von Anlagen (s Zeichnungsteil), durch jeweils unterschiedliche Systemgeometrie, bei im Prinzip gleichen oder ähnlichen Modulen.
  • Somit sind die Module gut als Serienteile geeignet.
  • Die sehr einfache Konstruktionsgeometrie eines einzelnen Moduls erleichtert wiederum Herstellung und Transport und die Verwendung von Halbzeugen, gleichzeitig können die Lamellen in Rahmen auch mittels Textil oder Membranen aufgespannt werden, wodurch das Gewicht sogar sehr leichte zerlegbare oder faltbare Konstruktionen erlaubt.
  • Die Vorrichtung kann sich somit auch zum „Repowering“ von Windkraft- Anlagen eignen, wenn deren gleich großer herkömmlicher weniger effizienter Propeller einfach in bestehenden Anlagen ausgetauscht wird,- was dann zu früheren und im Niedrigbereich höheren Ausbeuten führt.
  • Im Wasser verhält es sich mit diesem neuen System etwas anders, weil Flussenergie in der Regel gleichmäßig und berechenbarer anfällt als die Windenergie.
  • Hier können Wasserkraftturbinen gebaut werden, (Fig), die pegelunabhängig unter Wasser Energie ernten (18,19)), oder wie Wassermühlen, die vom Ufer aus bei wenig Eigengewicht eingesetzt werden,- auch temporär.
  • Auch hier wieder ergeben sich wesentlich höhere Ausbeuten, weil dieses neue System im Arbeitsradius anstelle nur 10 bis 20% der Fläche wie ein Propeller, fast die gesamte Querschnittsfläche abdeckt und somit die arbeitende Fläche bei weniger Material medienunabhängig bis zu viermal mehr Fläche, also 80% aufweist und somit auch mehr Energie ergibt, da die Lamellen im Modul so in der Summe mehr Fläche aufweisen, (s 1,2), Vergleich.
  • Neben dem Vorteil geringen Gewichts,- hier also der Vorteil von mehr „arbeitender Fläche“ und so Nutzung bislang eben nur „überstrichener „Flächen also bisher nicht mitgenutzter Flächen.
  • Dazu hat das System eine weitere besondere Eigenschaft, dass die Module erlauben unterschiedliche Formen und Größen von Wind- und Wasserrädern optimiert zu bauen wie im Baukastensystem. Es bleiben auch in der Skalierung , die beiden erstgenannten Vorteile voll erhalten, zudem sind die neuen Systeme bislang gar nicht mögliche Anwendungsformen, aber nun denkbar (s. eigene Zeichnungen)
  • Die wichtigste neue Eigenschaft ist aber, die mögliche Schrägstellung in Strömungsrichtung so dass hier als Alleinstellungsmerkmal nicht wie bei allen herkömmlichen Systemen die Energie geliefert wird bei rechtwinkelig also quer in der Strömung platziertem Rotor, der ja dann die maximale Fläche in der Strömung hat, sondern hier ergeben sich bei Neigung mit der Strömung ganz besondere neue Eigenschaften und weitere Vorteile, insbesondere eine Leistungserhöhung bei Schrägstellung gegen über normaler Querstellung (3-4
  • Wie im Anspruch 1 beschrieben, kommt bei Neigung zum Effekt des Druck und Sogs ein weiterer Effekt,- nämlich das reine Widerstandsprinzip Additiv hinzu. Dies ist neu, weil herkömmliche Systeme i. d. R. entweder nach dem Widerstandsprinzip oder nach dem Drucksog Prinzip arbeiten, Kombinationen davon sind kaum bekannt.
  • Vorteile und Effekte /Schrägstellung
  • Über Gewicht, Fläche und Schrägstellung hinaus, liegt ein Hauptvorteil in der Vielfalt der Anwendung eines Grundmoduls. Daraus ergibt sich eine breite Palette von Modellen und Anwendungen:
    • 1. Standrotor, besteht aus 500×500mm Modulen die gemäss (4) parallel oder rechtwinkelig zueinander in Felder zu 2×2 oder 4×4 Modulen mit bis zu 4qm Arbeitsfläche aus 4 oder 16 Modulen zusammengesetzt sind, als leichte und kleine Version , faltbar für Camping und Trecking, in 1000×1000mm als Grundmodul für neue Kleinwindanlagen oder „Repowering“ (6 -8) Details, (4) zeigen wie einfach die Verbindungen hergestellt werden können, z.B. durch ein Endlosband die Lamellen bildend, einfach eingefädelt und fixiert in Befestigungsschlitzen im Rahmen.
    • 2. Details, hier Varianten in Quadrat -,Dreiecks- oder Rundform,- also freier Kontur, sind frei gestaltbar möglich.(Fig.)
    • 3. Standvariante, in der Strömungsanpassung selbstausrichtend als Doppel-Schrägrotor (9), oder Variante nicht drehbar (12)
    • 4. Standvariante als Festgestell (Turm),mit Schrägläufer bedarf keiner Anpassung an die Windrichtung, bei 3 Rotoren in Winkel von 120° zueinander
    • 5. Schrägrotor im Wind selbstausrichtend durch die Neigung an Windstärke und Windrichtung anpassend, mittels Glasfiberschaft in Bodenhülse fixiert, (13)
    • 6. Schrägrotor mit herausziehbarem gegenläufigem Lamellendoppelrotor (2×2Felder),, möglich aufgrund des geringen Eigengewichtes speziell in Membranbauweise (14)
    • 7. Standvariante in Schrägneigung und Ausrichtung anpassungsfähig, Variante auf Mechanischer Basis (15),sich rein passiv nach dem Wippenprinzip rein passiv ausrichtend.(Alternative. zu 5)
    • 8. Standvariante ähnlich 15, jedoch Kreuzrotor mit doppelter Fläche, als Schrägrotor Passiv ausrichtend in Bodennähe formangepasst, (16)
    • 9. Varianten für Flussigkeitsströmungen grundsätzlich mit Lamellen-Schrägrotor skaliert hier von 500mm Durchmesser bis 2m Durchmesser,(in Wasser bis 6qm , ca 5 bis 10kw Output (17,18) In Rundrotorbauweise mit Strömungsbypass (19)
    • 10. wie vor, jedoch im Strömungsgehäuse, schwimmend, oder stehend (20) Schnitte der Anlage aus 10, Funktionsaufbau
  • Darüber hinaus, sind Hybridvarianten denkbar, als Lamellenrotor Wind/Solar mit Zellenbeschichtung der passend ausgerichteten Rotorlamellen gem. Sonnenlicht wenn Kein Wind.
  • In einer Hybridvariante als Vertikalrotor auf Schwimmplattform kann die Achse mit einem Lamellenrotor unter Wasser als Windrad über Wasser mit der gleichen Achse auf dem Generator zwischen beiden Leistung aufnehmen, Konzept als schwimmender Vertikalrotor, nach unten ins Wasser reichend , nach oben auf derselben Achse in den Himmel ragend zur Energiegewinnung.
  • Skalierungen des Grundmoduls in erheblichem Masze denkbar, wenn das Modul eine statische Einheit bildet mit Raumfachwerken.
  • Bezugszeichenliste
  • A
    Achse, Rotor
    D
    Drehmoment
    Dr
    Drehrichtung Drehmoment
    d/s
    Druck/Sogwirkung
    e
    Hebel R1,2,
    F
    Feld aller Module
    F,1,1
    Einzelfelder Lamellen
    Fl
    Flügel
    G
    Generator
    H
    Gaskörper
    h
    Horizontalachse
    I
    Lamellenachse
    K
    Konturform
    L
    Lamellen
    M
    Modul
    N
    Neigung im System
    P
    Profile Rahmen
    q
    Flügelquerschnitt
    R
    Rotationsachse, v
    Ra
    Rahmen
    Ro
    Rotor
    Rf,
    Resultierende aller Lamellen
    R1,2
    Resultierende Lamellenfeld
    Ra
    Hauptrahmen
    Sy
    Gesamtsystem
    S
    Schwerpunkt System
    Sf
    Schwerpunkt Einzelfelder
    v
    Vertikalachse
    W
    Wind/Wasser- Strömung
  • Figurenliste
    • 1 Grundvariante
    • 2 Vergleich mit Standardlösungen
    • 3 Grundvariante , geneigt
    • 4 Grundversion Vertikalrotor
    • 5 Grundvariante, Konturen
    • 6 Grundmodul, Ansicht, Isometrie
    • 7 Grundmodul, Iso
    • 8 Grundmodul , Schnitte
    • 9 Übersicht Modulkombinationen, Horizontalachser
    • 10 Standvariante, als Schrägvariante, passiv reguliert
    • 11 Standvariante, Turn/ und schräg
    • 12 Standvariante Turm, Detail
    • 13 Standvariante 3 Schrägrotoren
    • 14 Variante, Flug
    • 15 Standvariante , Passiv reguliert, elastisch
    • 16 Standvariante mechanisch, passiv reguliert
    • 17 Standvariante , Kreuzrotor, passiv reguliert
    • 18 Wasserkraft Schrägrotor, Isometrie
    • 19 Wasserkraft, Varianten Turbine

Claims (5)

  1. Vorrichtung, zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Strömungen (W) mittels zwei oder mehr um einen Gesamtschwerpunkt (S) rotierender Lamellenfelder (F1,F2), die insgesamt quer zur Strömung (W) liegen, wobei die einzelnen Lamellen (L) so geneigt sind, dass sie die Strömung (W) aus ihrer Richtung durch Widerstand ablenken, und so eine Gesamt-Resultierende (Rf) aller Lamellen (L) im Schwerpunkt des jeweiligen Feldes (Sf) im Abstand (e) zur Mitte (S), ein Drehmoment (D) um die horizontale oder vertikale Rotationsachse (R) des Gesamtsystems (Sy) erzeugt, und indem, im gleichen Drehsinn unterstützend, die einzelnen Lamellen (L) mittels Flügelquerschnitten (q), zusätzliche Druck-Sogwirkungen (d,s) in der Ebene der Rotation selbst erzeugen, (1-4) dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (L) je Feld hierbei stets in der Strömung gleich geneigt sind, und daß die Einzeldrehmomente jeder Lamelle (L) in Summe die Drehmomente der (Sf) der Felder bzw. Module (F) aus dem jeweiligen Strömungswiderstand ergeben, und sich bei einer Ausrichtung im gleichen Drehsinn, rechtwinkelig zur Lamellenachse wirkend, insgesamt addieren, - ebenso wie Druck/Sogwirkungen (d,s) an den Einzellamellen (L), die durch ihre Querschnittsausformung (q) zusätzlich in Drehrichtung (D) gesogen werden können,
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtsystem (Sy) nicht nur rechtwinkelig vertikal (v) (4) oder horizontal (h) (3) zur Strömung (W) geneigt positioniert werden kann, sondern auch zwischen horizontal und vertikal in Strömungsrichtung geneigt positioniert werden kann, so dass dann die so jeweils schräg gegen die Strömung rotierenden Lamellenfelder völlig offen für die Strömung sind, (s.4), und nach den Druck-Sog-Prinzip arbeiten, da dort die Einzellamellen umströmt sind, (3) - wohingegen die mit der Strömung rotierenden Lamellenfelder jedoch völlig verschlossen erscheinen, (y), um so dort den gesamten Strömungsdruck nach dem Widerstandsprinzip, Drehmoment (D) erhöhend, aufzunehmen.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzellamellen (L) in paralleler Ausrichtung in Lamellen-Feldern (F) durch Rahmen (P) eingefasst und gehalten werden , deren Konturform (K) frei ist,- und hier als Quadrat (5) jeweils ein Grundmodul (M) bildet, welches ,mittels mehrerer Module (M) zum Gesamtsystem (Sy), als zu Vertikal- Horizontalrotoren oder zu deren Zwischenformen zusammengefügt werden kann, -- bei Variabler Anzahl, Anordnung der Module (M) und somit unterschiedlicher Gesamtform (Sy) oder Größe des Systems. (9,ff.)
  4. Bauteil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß, die Einzellamellen (L),die in die Rahmen (P) eingespannt sind ,sowohl in Form als auch in Material unterschiedlich ausgestaltet werden können, bei Querschnitten (q) der Lamellen (L) flach, gebogen oder als Flügelprofilquerschnitt,(q) , in Kunststoff, Metall, Komposit- Materialien, oder auch Textilien hergestellt sein können, wobei diese farbig gestaltet und bedruckt werden können bei wählbarer Transparenz bis zu komplett transparent.
  5. Bauteil nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtsystem (Sy) der Lamellen-Module ,unabhängig vom Medium, in Wasser, Luft oder Kombination arbeitet ,dabei in unterschiedlichen Ausformungen als Windrotoren (s 9-19), als Vertikalrotoren, Horizontalrotoren, oder Mischformen, sowie in Wasser als Turbinenrotor (s 18,19), dabei gibt es auch stationäre starre Varianten (10,11,13,15) und reaktive Systeme ,(s 10), wobei die Modulbauweise es erlaubt, die Module leicht zu transportieren und einfach zu montieren, wodurch sie so als Bausystem für unterschiedlichste Lamellenturbinen geeignet sind (1-3)
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