DE19629417C2 - Verfahren sowie schwebend gefesselter Energiekonverter zur Nutzung von Strömungsenergie - Google Patents

Verfahren sowie schwebend gefesselter Energiekonverter zur Nutzung von Strömungsenergie

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung, mit der die strömende Energie eines Fluids in mechanische, elektrische, hydraulische, thermische oder andere nutzbare Energie umgewandelt wird.
Bisher wird strömende Energie, z. B. des Windes, von feststehenden Windkraftkonvertern (DE 32 46 694 A1) oder, bei Wasser, von fest eingebauten Wasserturbinen aufgenommen und in drehende Bewegung verwandelt. Diese wird auf angekuppelte Elektrogeneratoren, Pumpen, Verdichter, mechanische Hubwerke u. dgl. übertragen.
Die vorgenannten Maschinen benötigen für ihre Aufstellung erheblichen Bauaufwand und Bauraum. Für die weitere Umwandlung werden teuere mechanische Glieder, z. B. Getriebe, Kraftzylinder, Hubwerke, Winden u. dgl. benutzt. Bei Windkraftkonvertern z. B. werden bisher hohe, feste Türme verwendet, mit welchen die Windräder einschließlich der Getriebe und Generatoren gehalten und in den Wind gedreht werden. Für jeden Turm ist das erforderliche Betriebsgelände sehr weiträumig. Um die bodennahen Strömungsstörungen zu vermeiden, werden Drachen oder leichtgasgefüllte Auftriebskörper als stationäre Träger für konventionelle Axialturbinen vorgeschlagen (EP 0 391 601 A2; DE 195 02 948 A1; DE 25 24 360 A1), die jedoch wegen des hohen Leistungsgewichtes der zu tragenden Elektrogeneratoren nur eine geringe Leistungsdichte trotz sehr großer Baudimensionen besitzen. Neuere Entwicklungen vermeiden bereits einige der genannten Nachteile, indem schwebende Auftriebskörper z. B. drachenförmige Segel (DE 32 09 368 A1) oder leichtgasgefüllte, in Windrichtung als Auftriebsprofile gestaltete Ballonkörper (DE 24 37 003 A1) vorgesehen werden, und indem die als Fesseln der Auftriebskörper benutzten Seile, Bänder oder Ketten im Arbeitshub von der Bodenstation weg- und im Rückwärtshub wieder auf die Bodenstation hinbewegt werden. Während die Fesseln bei der weggehenden Bewegung einer höheren Zugkraft unterworfen sind, und zwar wegen optimaler Steilanstellung des Segel- oder Ballonkörpers gegen die Windrichtung, sind sie bei der hingehenden Bewegung durch eine verminderte Anstellung des Seiles gegen die Erdoberfläche einer geringeren Zugkraft unterworfen.
Aus der Differenz der Seilzugkräfte zwischen weggehender und hingehender Bewegung, auch wegen unterschiedlicher Zeitanteile der hingehenden und der rückgehenden Zeiten an der Gesamtzeit eines Arbeitszyklus, ergibt sich eine positive Arbeitsbilanz, welche an die nutzbringenden Maschinen intermittierend abgegeben wird.
Die Vorrichtung mit Segelflächen (DE 32 09 368 A1) hat den Nachteil, dass ein guter Wirkungsgrad nur bei geringem Neigungswinkel ϕ des Zugseiles gegen den Erdboden vorhanden ist, so dass im Betrieb ein großer Umkreis von den Segelkörpern und den Zugseilen überstrichen wird. Dadurch wird eine enge Aufstellung von Nachbaranlagen behindert.
Auch erhöht die große Seillänge das von den Segeln zu tragende Seilgewicht erheblich.
Zum Tragen des Segelgeschirrs ist ein Tragballon (1') vorgesehen, der nachteiligerweise einen zusätzlichen Bewegungswiderstand darstellt (DE 32 09 368 A1).
Von bekannten Vorrichtungen, bei denen statt Segeln Tragflügelballone eingesetzt werden, die linsenförmige, kreisrunde oder ringförmige Grundflächen haben, werden zur Erreichung größerer Arbeitsflughöhen nur relativ kürzere Arbeitsseillängen benötigt (DE 24 37 003 A1). Durch die vorgeschlagene Benutzung weiterer zusätzlicher Tragflügelballone (mittels Verbindungsseilen in günstiger flächenparalleler Anordnung) wären zwar solche Gespanne geeignet, die Fesselzugkräfte und damit den Leistungsbereich zu vervielfachen; nachteilig ist aber immer noch, dass zum Niederholen der Tragflügelballone (zwecks Reparaturen, zwecks Nachfüllung von Leichtgas und zwecks Reinigung bzw. Wartung) die Grundrissflächensumme sämtlicher einzelnen Tragflächen auf dem Erdboden abgelegt werden muss, bei Anwendung mehrerer verkoppelter Tragflügelballone also ein Vielfaches, weil die Tragflügel nacheinander einzeln abgelegt werden müssen.
Auch die ständige Biegewechselbeanspruchung durch die aufgezwungene Biege- und Beulverformung verursacht nachteiligerweise eine schnellere Alterung.
Zur Umwandlung der bei Betrieb ständig auf- und niedergehenden Bewegung in Fesselseilrichtung sind nachteiligerweise schwere, auf Rollenböcken oder in einem Magnetfeld gelagerte Ring- und iterativ arbeitende Reibrollenantriebe erforderlich.
Die bekannten Vorrichtungen, bei denen der nachfolgend beschriebene, dem Erfindungsgegenstand zugrundeliegende Magnus-Effekt genutzt wird (DE 32 46 694 A1; DE 35 01 807 A1; DE 30 14 364 A1), sind alle bodenfest installiert und mit den genannten Nachteilen behaftet.
Um die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik und neuerer vorgeschlagener Lösungen zu vermeiden, hat die Erfindung einen walzenförmigen, rotierenden Auftriebskörper zum Gegenstand, der unter Ausnutzung des "Magnus-Effektes" mit gegenüber dem bisherigen Stand kurzen Seillängen große Flughöhen erreichen kann.
Erfindungsgemäß geschieht das dadurch, dass als Auftriebskörper langgestreckte, im Querschnitt senkrecht zu ihrer Längsachse angenähert runde, um ihre Hochachse schwenkbare, um ihre Längsachse rotierende, Tragflügel verwendet werden, deren Rotationsrichtung so bestimmt ist, dass die Umfangsgeschwindigkeit an der Seite des gewünschten Auftriebs mit der Strömungsrichtung zusammenfällt, an der gegenüberliegenden Seite aber der Strömungsrichtung entgegengesetzt ist.
Die Rotation wird durch an sich bekannte strömungsdynamische Maßnahmen erzeugt.
Der Auftrieb der rotierenden Tragflügel entsteht durch Überlagerung der natürlichen Parallelströmung (um den zylindrischen Tragflügel) mit dem durch Rotation um die Längsachse des Tragflügels erzeugten Potentialwirbel. Durch diese Überlagerung wird die Oberseite des Tragflügels schneller überströmt, so dass oben Unterdruck entsteht, und die Unterseite langsamer, so dass unten Überdruck entsteht (Magnuseffekt).
Durch den hohen Auftriebsüberschuss und den Strömungswiderstand werden Auftriebskörper und Fesselseile von der Bodenstation fortgezogen, wobei nutzbare Energie frei wird.
Um den Auftriebskörper wieder mit geringem Widerstand zur Bodenstation zu holen, wird der walzenförmige Auftriebskörper so um seine Hochachse verstellt, dass seine Rotationsachse in Strömungsrichtung liegt. Auftrieb und Strömungswiderstand haben in dieser Stellung ein Minimum.
Die Veränderung der Größe des Auftriebs erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass an einer Seite eines Tragflügels ein Leitwerk angebracht wird, welches bei Einstellung seiner Flosse in Richtung der Strömung des Fluids nur geringen Strömungswiderstand bietet und damit den Tragflügel selbsttätig in eine Stellung quer zur Strömung treiben lässt, in welcher der höhere Auftrieb erzeugt wird, wohingegen bei Einstellung der Steuerflosse quer zur Strömungsrichtung die Längsachse des Tragflügels in Richtung der Strömung des Fluids eingesteuert wird, in welcher Lage der Auftrieb und der Strömungswiderstand ein Minimum haben.
Bei mittigem Angriff der Zugkräfte erfolgt nämlich eine Quereinstellung des Rotationskörpers zur Strömung selbsttätig. Bei Einsteuerung der Rotationsachse der Tragflügel in Richtung der Strömung fällt der Auftrieb wegen Wegfalles des Magnuseffektes weg, und der Stirnwiderstand des langen, runden Tragflügels gegen die Strömung ist wegen kleinerer Stirnfläche mehrfach geringer.
Das Leitwerk kann z. B. vorteilhafterweise aus einer einfachen Segelflosse bestehen, deren Hochachse Gelenke zur Führung und Lagerung der Segelflossen-Schwenkbewegung um diese Hochachse hat, und die insgesamt reitend auf der Achse des mit Leichtgas gefüllten Tragflügels angeordnet ist, wobei ein Lager freie Drehung um die Rotationsachse des Tragflügels zulässt und durch ein unten angebrachtes Gewicht immer die lotrechte oder eine andere zur Seilrichtung optimierte Stellung der Flossenachse gewährleistet ist. Der oberste Tragflügel kann als Hilfstragkörper auch ein kleiner kugelrunder Ballon sein.
Gegenüber den drachenförmigen Segeln (DE 32 09 368 A1) ist der Erfindungsgegenstand vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass der Auftrieb im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung erfolgt und dass ein besseres Verhältnis von Auftriebs- zu Widerstandsbeiwert gegeben ist. Dadurch kommt man mit kürzeren Seillängen aus, so dass auch für große Arbeitshöhen die geländeüberstreichende Seillänge und ein entsprechend hohes Seilgewicht reduziert werden, ohne dass damit, wie bei den Ballonsegeln, große Flächen für die Ballonablage benötigt werden. Gegenüber den entgegengehaltenen kreisförmigen Ballontragflügeln mit ihren großen Stirnflächen in Richtung ihrer Hin- und Rückbewegung, also schräg zur Strömungsrichtung, ist der Erfindungsgegenstand vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass schnellere Hin- und Herbewegungen in Richtung der Fesselkraft wegen geringerer Stirnflächen möglich sind und daher höhere Leistungen erzielt werden.
Beschreibung des gesamten Arbeitsspieles
Der Erfindungsgegenstand ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente der Anlage räumlich in einem Kreisprozess arbeiten. Die Ebene dieses Prozesses wird durch die aerodynamischen Mittel während des Arbeitsspieles um die Hochachse drehbar eingestellt.
Zur Betätigung der Bewegungen dienen fernbediente Steuerelemente (Flossen).
Der Arbeitsraum wird umgrenzt von den Arbeitsstrecken, welche die Tragflügel (während des gesamten Arbeitsspieles) in vier Phasen nacheinander durchlaufen:
Phase a)
Das steil aufwärts steigende ziehende Seil gibt seine Energie (mit optimaler Wirkung) über die Seiltrommel an den Generator ab. Die Fluglage der Tragflügel ist dabei quer zur Strömungsrichtung des Fluids (Nutzung des Magnuseffektes) und wird hoch genug (z. B. höher als 700 m über Grund bei Windnutzung), um die freie laminare Strömung zu nutzen.
Phase b)
Der Tragflügel verbleibt in etwa gleicher Höhe, treibt mit der Strömung von der Bodenstation weiter fort und zieht damit das Seil unter weiterer Abgabe von Leistung weiter aus. Der Seilwinkel (zwischen Seil und Erdboden) verringert sich (wird flacher).
Phase c)
Der Flugkörper bewegt sich in diesem Abschnitt wieder auf die Bodenstation zu, das Seil wird eingeholt. Die aufzubringende Leistung ist dadurch gering, dass die Längsachse des Tragflügels in Strömungsrichtung des Fluids durch Umsteuerflossen eingesteuert wird. Durch den Entfall des Magnuseffektes in dieser Phase reduziert sich der Auftrieb und damit die Seilkräfte. Da gleichzeitig die Längsachse des Tragflügels mit der Zugrichtung des Seiles nahezu identisch ist, verringert sich der Stirnwiderstand auf ein Minimum. Es werden somit schnellere Bewegungen und die Erzielung einer höheren Gesamtleistung möglich.
Phase d)
In der Endphase des Einziehabschnittes gerät der Tragflügel durch seinen degressiv verlaufenden Sinkflug in eine bodennähere Zone, in der geringere Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids vorherrschen. Der Strömungswiderstand und damit die aufzubringende Einziehleistung werden dadurch noch einmal geringer.
Am Ende der Phase d) wird der Tragflügel durch Verstellen der Flosse wieder quer zur Strömungsrichtung eingesteuert, durch die beschriebenen Turbinenelemente wieder in Rotation versetzt und tritt erneut in Phase a) ein.
Der Erfindungsgegenstand ist vorteilhafterweise auch dadurch gekennzeichnet, dass seine Konstruktionsteile außerhalb des Strömungsfeldes der Tragflächen gehalten werden.
Bei den dem Stand der Technik entsprechenden festen Türmen werden beim Durchgang der Windflügel durch die Stauzone der Türme Turbulenzen erzeugt, welche sämtliche Teile solcher Anlagen stoßweise belasten (auch bei DE 32 46 694 A1) und auch starke Geräusche verursachen.
Bei dem Erfindungsgegenstand dagegen sind diese Geräusche nicht vorhanden. Das geschieht dadurch, dass sämtliche Anlagenteile aus dem Strömungsfeld des Konverters ausgespart werden. Die abgestrahlten Maschinengeräusche sind darüber hinaus durch Unterbringung der gesam­ ten Bodenstation in akustisch abschirmbaren Gruben stark gemindert.
Ausführungsbeispiel
Anhand von Zeichnungen werden Teile und Zusammenstellungen als Beispiele des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. In Fig. 1 ist eine Anlage mit Ansicht von der Anströmseite dargestellt; Fig. 2 zeigt die gleiche Anlage quer zur Anströmrichtung; Fig. 3 zeigt den zum Einholen des Fesselseiles eingesteuerten Schwebezustand.
Die rotierenden Tragflügel (1, 1'), die mitdrehenden Seitenscheiben (2a, 2b) und die angeflanschten an sich bekannten Zusatz-Turbinen- Elemente zur Erzeugung der Rotation (3a, 3b) rotieren je nach Strömungsgeschwindigkeit mehr oder weniger schnell um ihre Längsachse, gelagert in Gleit- oder Wälzlagern (4a, 4b). Über das linke Zugseil (5a) und das rechte Zugseil (5b) werden beide Lager (4a, 4b) mit dem gemeinsamen Drehgelenk (6) verbunden. Durch dieses stellt sich der rotierende Tragflügel (1) selbsttätig in jede beliebige Strömungsrichtung ein. Durch das an der Decke der Bodenstation befindliche Rollen- oder Ringfenster (7) wird das Zugseil (8), ggf. noch über nicht dargestellte Seilumlenkrollen, der Seiltrommel (9) und dem mit ihr gekuppelten Motor/Generator (10) zugeführt.
Durch das Leitwerk (12) werden die Tragflügel zum Einholen des Zugseiles mit ihrer Längsachse in Strömungsrichtung eingestellt.
Der rotierende Tragflügel (1) kann zur Leistungssteigerung durch einen oder mehrere weitere rotierende Tragflügel (1') ergänzt werden. Diese sind an den Tragflügel (1) mit parallelen Seilführungen angehängt und können auch gemeinsam gesteuert werden.
Der Generator kann drehzahlsteuerbar sein, für das Aufspulen des Zugseiles schnell, für das Auslassen des Zugseiles langsam drehend.

Claims (9)

1. Verfahren zur Umwandlung von strömender Energie eines Fluids in
mechanische,
elektrische,
hydraulische,
pneumatische,
thermische oder
andere nutzbare Energie,
unter Verwendung von rotierenden Tragflügeln, deren Rotationsrichtung so bestimmt ist, dass die Umfangsgeschwindigkeit an der Seite des gewünschten Auftriebs mit der Strömungsrichtung zusammenfällt, an der gegenüberliegenden Seite aber der Strömungsrichtung entgegengesetzt ist, so dass diese Tragflügel zeitweise durch einen Auftriebsüberschuss ihre Fesselseile mit einer Zugkraft von der Bodenstation wegziehen, unter Verminderung des Auftriebes dagegen von den verbleibenden, nunmehr überschießenden Rückzugskräften in die Bodenstation hineingezogen werden, wobei die rotierenden Tragflügel nacheinander folgende Arbeitsphasen in einem in Summe energieerzeugenden Kreisprozess durchlaufen:
Phase a) mit hoher Rotationsgeschwindigkeit steil aufwärtssteigende Bewegung des Tragflügels und hohe ausziehende Zugleistung am Fesselseil,
Phase b) bei reduzierter Rotationsgeschwindigkeit zur Strömungsrichtung parallele Bewegung des Tragflügels mit weiterem Ausziehen des Fesselseiles,
Phase c) nach Einsteuerung der Längsachse der Tragflügel in Strömungsrichtung Absinken der Tragflügel unter weiterer Reduzierung des Auftriebes durch Entfall des Magnuseffektes und Einholen des Fesselseiles unter reduziertem Strömungswiderstand,
Phase d) nach Absinken der Tragflügel in die bodennahe Zone unter Ausnutzung der dort vorherrschenden geringeren Strömungsgeschwindig­ keiten Einholen des Fesselseiles bis auf eine Restlänge, um dann wieder durch Querschwenken der Tragflügel erneut in Phase a einzutreten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflügel um ihre Hochachse durch ein Leitwerk derart gesteuert werden, dass sie für erhöhten Auftrieb quer zur Strömungsrichtung, für verminderten Auftrieb und zur Reduzierung des Strömungswiderstandes beim Einholen des Fesselseiles dagegen längs zur Strömungsrichtung eingesteuert werden.
3. Schwebend an Seilen gefesselter Kraft- und Energiekonverter mit rotierenden Auftriebskörpern zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Auftriebskörper langgestreckte, im Querschnitt senkrecht zu ihrer Längsachse rundliche, um ihre Hochachse schwenkbare, um ihre Längsachse rotierende Tragflügel (1 und 1') angeordnet sind, die zusammen mit mitdrehenden Seitenscheiben (2a, 2b) und angeflanschten an sich bekannten Zusatz-Turbinenelementen zur Erzeugung der Rotation (3a, 3b), gelagert in Gleit- oder Wälzlagern (4a, 4b), mit einer von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Rotationsgeschwindigkeit um ihre Längsachse rotieren, wobei die Auftriebskörper (1, 1') durch Fesselseile (8) mit einer Seiltrommel (9) verbunden sind, welche wiederum mit einem Motor/Generator (10) verkoppelt ist und im Arbeitsprozess nach Anspruch 1 den Motor/Generator (10) antreibend abspult und vom Motor/Generator (10) getrieben aufspult.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hin- und hergehende Zugseilbewegung durch verschiedene strömungsdynamisch wirksame Maßnahmen erzeugt wird, die
  • a) einerseits um eine horizontale Achse senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids drehend wirken (z. B. durch Turbinenelemente (3a, 3b)),
  • b) andererseits aber auch eine Einsteuerbewegung der Tragflügellängsachse quer zur oder in Strömungsrichtung des umgebenden Fluids durch ein Leitwerk (12) bewirken, welches z. B. aus einer einfachen Segelflosse bestehen kann, deren Hochachse Gelenke zur Führung und Lagerung der Segelflossen-Schwenkbewegung um diese Hochachse hat, und die insgesamt reitend auf der Achse des ggf. mit Leichtgas gefüllten Tragflügels (1') angeordnet ist, wobei ein Lager freie Drehung um die Rotationsachse des Tragflügels zulässt und durch ein unten angebrachtes Gewicht immer die lotrechte oder eine andere zur Seilrichtung optimierte Stellung der Flossenachse gewährleistet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein, mehrere oder alle Tragflügel (1, 1')
zur Erzeugung einer erhöhten Steifigkeit durch leichte Feststoffe, wie z. B. Kunststoffschaum und/oder
zur Erzeugung eines statischen Auftriebes mit Leichtgas gefüllt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass über Zugseile (5a und 5b) die Lager (4a, 4b) mit einem gemeinsamen Drehgelenk (6) verbunden werden, wodurch sich die Längsachsen der rotierenden Tragflügel (1, 1') selbsttätig quer zu jeder beliebigen Strömungsrichtung ausrichten.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Fesselseil (8) durch ein an der Bodenstation befindliches Rollen- oder Ringfenster (7), ggf. noch über nicht dargestellte Seilumlenkrollen, der Seiltrommel (9) und dem mit ihr gekuppelten Motor/Generator (10) zugeführt wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Anlagenteile wie z. B. Bodenstation und Fesselseile, welche auf die von der Strömung beaufschlagten Auftriebsorgane schädliche Einflüsse durch Turbulenzen ausüben könnten, aus dem Strömungsfeld des Konverters ausgespart werden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstationen zur Reduzierung störenden Maschinenlärms in akustisch abgeschirmten Gruben untergebracht werden.
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