DE10360876A1

DE10360876A1 - Direkte Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE10360876A1
Application number: DE10360876A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Werner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2005-09-22

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie direkt aus Windenergie, bestehend aus einer Masseelektrode, einem Injektor und einem Kollektor, wobei der Injektor elektrische Ladungen in bewegte Luft (Wind) injiziert und die Ladungen bzw. geladenen Teilchen oder Moleküle bzw. Ionen von der Luft zum Kollektor transportiert und von diesem aufgenommen werden, wobei ein Teil der kinetischen Energie des Windes unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt wird, die über den Kollektor in Form eines Gleichstromes an einen Verbraucher abgegeben werden kann.

Description

1. Stand der Technik
Die derzeit bekannte Form der Erzeugung von elektrischer Energie aus Windenergie ist das Windrad. Dabei wird die kinetische Energie des Windes zunächst in Bewegungsenergie des Rotors umgewandelt. Der Rotor treibt einen Generator, der elektrische Energie liefert. Je nach Ausführungsform einer Windkraftanlage kann zwischen Rotor und Generator noch ein Getriebe angeordnet sein, um eine konstante Generatordrehzahl bei variabler Rotordrehzahl zu ermöglichen. Bei getriebelosen Anlagen wird der Generator mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben – je nach Windgeschwindigkeit. Die Netzanbindung erfordert dann noch einen Gleich- und Wechselrichter. Die Rotorblätter sind in der Regel mit einem elektrischen Blatt-Verstellsystem ausgerüstet. Für die Windnachführung ist ebenfalls ein Stellgetriebe erforderlich.

Die Beschreibung eines Windrades entsprechend dem Stand der Technik ist in Anlage 1 zu finden. Charakteristische Merkmale dieser Anlage sind:

Durchmesser der rotierenden Blätter:	40 m
Von den Rotorblättern beschriebene Kreisfläche:	1250 m²
Maximale Spitzenleistung bei 13m/s Windgeschwindigkeit:	500 kW
Mittlere Leistung:	50 kW

2. Erfindungsgemäße Struktur
Erfindungsgemäß wird ein Gerät vorgeschlagen, das die Windenergie direkt in elektrische Energie umwandelt, ohne die Umwege über Rotor und Generator. Die Kosten pro kWh sollten auf Grund des nicht erforderlichen Rotors, Generators, Getriebes und des Rotorblattverstellsystems erheblich niedriger sein als bei Windanlagen entsprechend dem Stand der Technik.
Zunächst werden die der Erfindung zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien bzw. Anordnungen entsprechend dem Stand der Technik erläutert:
a: Gewittertheorie:
Das Aufsteigen feuchtwarmer Luftmassen führt in entsprechender Höhe zu einer Kondensation des Wasserdampfes durch Abkühlung. Es bilden sich Wassertröpfchen. Diese Wassertröpfchen werden einsinnig geladen, weil sie im normalen luftelektrischen Feld (ca. 100 V/m mit negativer Erde) zu Dipolen influenziert werden. Im Fallen nimmt ihre Vorderseite Ionen eines Vorzeichens auf und stößt die anderen ab (Gerthsen Physik, Springer Verlag, Seite 347). Durch diese Ladungstrennung entstehen Feldstärken von bis zu 10⁶ V/m (= Durchbruchsfeldstärke in Luft, Blitz).
Wesentlich ist, dass sich diese enorme Feldstärke in Luft aufbauen kann, ohne dass die auf die Ionen wirkende Kraft – infolge des hohen elektrischen Feldes – einen Aufbau der Feldstärke verhindert.
b: Plattenkondensator:
Wird bei einem mit der Ladung Q geladenem Plattenkondensator der Plattenabstand I vergrößert, so muss beim Bewegen der Platten Arbeit geleistet werden. Dabei erhöht sich die Spannung am Kondensator proportional zum Abstand I.
Wesentlich ist, das hier mechanische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird.
c: Van-de-Graaff-Generator:
Das in 2b beschriebene Prinzip wird beim Van-de-Graaff-Generator in abgewandelter Form benutzt, um kontinuierlich direkt aus mechanischer Energie elektrische Energie zu erzeugen. Ein endloses Gummiband (Isolator) wird über diverse Rollen geführt, die je nach gewünschter Spannung mehr oder weniger voneinander entfernt angeordnet sind. Auf der einen Seite wird über eine Schneide (Kamm, Spitzen) negative Ladung aufgesprüht. Durch Bewegung des Gummibandes werden die auf das Band aufgesprühten negativen Ladungen von der positiven Gegenladung entfernt (entspricht der Vergrößerung des Abstandes beim Plattenkondensator) Auf der anderen Seite der Anordnung kann die negative Ladung auf Grund ihres hohen Potentials leicht über eine weitere Schneide berührungslos vom Band abgenommen werden. Das Potential an dieser Schneide kann je nach Gestaltung der Anordnung bis zu 100 kV erreichen.
Wesentlich ist, dass die Ladungstrennung durch Transport der Ladung auf einem Festkörper erfolgt.
Die erfindungsgemäße Idee beruht darauf, den Ladungstransport über ein gasförmiges Medium, z.B. Luft, durchzuführen (vorstellbar ist auch ein Ladungstransport mittels Flüssigkeiten). Eine mögliche Anordnung zeigt 1. Ein Rohr aus nichtleitendem Material ist an den beiden offenen Enden mit je einem Gitter aus leitendem Material, z.B. Metall, abgeschlossen. Gitter 1 liegt auf Massepotential. Zwischen Gitter 1 und 2 ist ein Injektor angeordnet der z.B. negative Ladung in das Rohr injiziert. Die Injektion kann z.B. über Feldemission erfolgen (vergleichbare Phänomene in der Natur: Elmsfeuer, Koronaentladung; Gerthsen, Physik, S.467). Hierfür ist eine Hilfsspannung U_H erforderlich, um am Injektor die erforderliche Feldstärke zu erzeugen (z.B. 1000 V). Der Injektor kann aus einem Array von Spitzen bestehen, das die Querschnittsfläche des Rohres ausfüllt. Der Injektor ist zweckmäßigerweise näher an Gitter 1 als an Gitter 2 angeordnet. Es sollte unerheblich sein, ob die Spitzen zu Gitter 1 oder zu Gitter 2 zeigen. Bläst Wind durch Gitter 1, so werden die Ladungen z.B. in Form von Ionen, geladenen Staubpartikeln, geladenen Wassermolekülen oder Agglomeraten von Wassermolekülen vom Injektor zum Gitter 2 transportiert. Über Gitter 2 (Kollektor) kann die Ladung abfließen. Über einen DC/AC Wandler kann die Energie ins Netz gespeist werden.
Das Rohr kann rund, quadratisch, sechseckig bzw. entsprechend den statischen Erfordernissen beliebig gestaltet sein. Die Querschnittsfläche kann ebenfalls variabel sein; z.B. am Lufteintritt größer als am Luftaustritt. Vorstellbar ist ebenso, dass auch die Rohrwand nicht geschlossen, sondern als Gitter ausgeführt ist. Da der Kollektor im Betrieb eine sehr hohe Spannung aufweist, kann es aus Sicherheitsgründen zweckmäßig sein, das Rohr über das Gitter 2 hinaus zu verlängern und mit einem Gitter 3 abzuschließen, das auf Massepotential liegt.
Die Erzeugung der Ladung am Injektor kann neben der bereits erwähnten Feldemission auch durch thermische Ionisation, hochfrequente Strahlung/Felder, UV-Strahlung oder radioaktive Strahlung erzeugt werden (Gerthsen, Physik, Seite 449). Bei den letztgenannten Verfahren muss allerdings eine Ladungstrennung in einem nicht winddurchströmten Bereich erfolgen. Eine mögliche Ausführung siehe 2.
3. Quantitative Betrachtungen
a: Abschätzung der erzielbaren elektrischen Energie aus der kinetischen Energie des Windes:

P = ΔA/Δt
ΔA = 1/2·Δm·vL 2
Δm = [d2·π/4]·ΔI·ç
P = [d2π/8]·ç·vL 3
E = elektrische Feldstärke
P = Leistung
A = Energie
t = Zeit
m = Masse
v_L = Luftgeschwindigkeit
L = Abstand Gitter1 bis Gitter2
a = Abstand Gitter1 bis Injektor
d = Rohrdurchmesser
F = Rohrquerschnitt
ç = spez. Gewicht der Luft

Wird durch Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie die Windgeschwindigkeit auf z.B. 90% abgesenkt, so ergibt sich für einen Rohrdurchmesser d von 10 m und eine anfängliche Windgeschwindigkeit v_L von 10 m/s eine nutzbare elektrische Leistung von: PN = [d2·π/8]·ç·[v3 L100% – v3 L90%] ≈ 14 kW
b: Abschätzung der Injektorstromdichte i_I

Annahmen: I/a = 10; U_H = 1000 V; P_N = 14 kW
iI = PN/[UH·I/a·d2·π/4] ≈ 2 μAcm–2

c: Ladungsdichte n_I; Ionisationsgrad g_I

Annahmen: i_I = 2 μAcm^–2; v_L = 10 m/s
nI = iI/q·VL ≈ 1·1010 cm–3
gI = NM/nI ≈ 109
n_I = Ladungsdichte
q = Elementarladung
N_M = Dichte der Luftmoleküle
gI = Ionisationsgrad
d.h. eine Elementarladung kommt auf 10⁹ Luftmoleküle

d: Abschätzung der erzielbaren elektrischen Leistung, wenn die elektrische Feldstärke der Durchbruchsfeldstärke E_max in Luft entspricht:

Annahmen: Durchbruchsfeldstärke = 10⁶ V/m; V_L = 10 m/s
Maximale Ladungsdichte:
nImax = ε0·εr·Emax/L
Maximale Stromdichte:
iI = nImax·VL
Maximale Leistung:
Pmax = ½·ε0·εr·Emax 2·VL·F ≈ 3,5 kW

Aus den quantitativen Betrachtungen a bis d geht hervor, dass die elektrische Durchbruchsfeldstärke die aus der erfindungsgemäßen Struktur entnehmbare Leistung begrenzt. Die Betrachtung zeigt auch, dass die Leistung proportional zur Luftgeschwindigkeit und der Querschnittsfläche der Struktur ist, jedoch unabhängig von der Länge des Rohres. Die Länge der Struktur bzw. des Rohres kann also frei nach den statischen Erfordernissen gewählt werden.
4. Vorteile der erfindungsgemäßen Struktur
Im Vergleich zum Windrad entsprechend dem Stand der Technik benötigt die erfindungsgemäße Struktur keine mechanisch bewegten Teile wie Rotorblätter, Getriebe und Generator. Dies führt zu erheblich geringeren Kosten pro kW Leistung, einer erhöhten Zuverlässigkeit und geringerem Gewicht. Lediglich zur Ausrichtung im Wind muss wie beim Windrad eine Vorrichtung vorhanden sein, die es erlaubt, das Rohr bezüglich der Rohrachse parallel zum Wind auszurichten.
Bei einem Durchmesser des Rohres von 40 m ergäbe sich eine max. Leistung von ca. 50 kW bei einer Luftgeschwindigkeit von 10 m/s. Die ist vergleichbar mit der mittleren Leistung des eingangs zitierten Windrades. Bei geringen Windgeschwindigkeiten sollte die erfindungsgemäße Struktur jedoch mehr Leistung erzeugen, da die erzeugte Leistung proportional zur Luftgeschwindigkeit ist während die Leistung beim Windrad exponentiel von der Luftgeschwindigkeit abhängig ist!

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie bestehend aus einer Masseelektrode, einem Injektor und einem Kollektor wobei der Injektor elektrische Ladungen in ein bewegtes Medium (Gas, Flüssigkeit) injiziert und die Ladungen bzw. geladenen Teilchen oder Moleküle bzw. Ionen von dem bewegten Medium zum Kollektor transportiert und von diesem aufgenommen werden, wobei ein Teil der mechanischen Energie des bewegten Mediums unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt wird, die über den Kollektor in Form eines Gleichstromes an einen Verbraucher abgegeben werden kann.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 1 bestehend aus: – einem nichtleitendem Rohr, – einem gas- oder flüssigkeitsdurchlässigen Gitter 1 (Masseelektrode) nahe dem einen Ende des Rohres angebracht und die Querschnittsfläche des Rohres vollständig ausfüllend; vorzugsweise auf Massepotential liegend, – einer gas- oder flüssigkeitsdurchlässigen Injektoranordnung im Abstand a vor oder hinter Gitter 1 angeordnet und die Querschnittsfläche des Rohres vollständig ausfüllend zur Injektion elektrischer Ladung in das das Rohr durchströmende Medium, – einem gas- oder flüssigkeitsdurchlässigen Gitter 2 (Kollektor) nahe dem anderen Ende des Rohres angebracht, das die Ladungen aus dem bewegten Medium wieder aufnimmt und in Form eines elektrischen Gleichstromes an einen Verbraucher oder das Netz abgibt. – und einer Spannungsquelle U_H zwischen Injektor und Gitter 1 angeordnet zur Versorgung des Injektors mit elektr. Energie.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den vorhergehenden Ansprüchen wobei der Injektor als Array von Spitzen ausgebildet ist, bei denen mit relativ geringer Spannung U_H (z.B. 1000V) ausreichend hohe Feldstärken erzeugt werden können um durch Feldemission Ladungen in das Medium zu injizieren.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 1 und 2 wobei in einem ersten Schritt Ladungspaare durch thermische Ionisation, hochfrequente Strahlung, UV-Strahlung, radioaktive Strahlung oder andere Verfahren erzeugt werden, wobei die Ladung der einen Polarität über den Injektor in das Medium abgegeben werden, während die Ladung der anderen Polarität zu Masse (Gitter 1) abfließt.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 2 bis 4, wobei das Rohr rund, quadratisch, sechseckig bzw. den statischen Erfordernissen beliebig gestaltet sein kann.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der in das Medium injizierte Strom durch eine Regeleinrichtung so eingestellt wird, dass im Raum zwischen dem Injektor und dem Kollektor die elektrische Feldstärke immer unterhalb der Durchbruchsfeldstärke des verwendeten Mediums bleibt.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei der vom Kollektor abgegebene Gleichstrom über einen DC/AC Wandler in das Netz abgegeben wird.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei die Vorrichtung durch eine geeignete Einrichtung so in die Fließrichtung des Mediums gedreht wird dass das Medium vom Injektor zum Kollektor fließt.