DE19633682A1 - Verfahren zur indirekten Nutzung der Strömungsenergie aus Parallelströmungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur indirekten Nutzung der Strömungsenergie aus Parallelströmungen und ist anwendbar insbesondere bei der Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie mittels Strömungsmodulen. Äquivalente Anwendungsgebiete bestehen in der Nutzung von Wasserströmungen.

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.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem der Wirkungsgrad der Strömungsmodule durch Vergrößerung der Menge der in die Strömungsmodule einströmenden Strömungsanteile erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im Hauptanspruch 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Ein besonderer 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 des 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 des Strömungsmodules erzeugt wird, die mit anderen Strömungsmodulen kommuniziert.

Das Wesen der Erfindung liegt in der Kommunikation der Strömungsmodule im Windfeld, der in einer oder mehreren Ebenen sich verändernden, projizierten Anströmfläche aller Module.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Realisierungsvariante mit insgesamt sechs Strömungsmodulen,

Fig. 2 Eine Draufsicht auf Fig. 1.

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 3 MW 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 50 m für 500 kW-Anlagen bestimmt die Leistungsangaben. In dieser Höhe sind die Strömungsmodule 1 vorgesehen.

Am Beispiel einer, mit frei fahrenden 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′schen Gesetz Zusatzgeschwindigkeiten. Es resultieren technisch nutzbare, partielle Energiedichteerhöhungen im Wirbelsystem.

Der anströmende Wind 2 trifft senkrecht auf die Strömungsmodule 1, 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 1 mit einem äußeren Durchmesser von 10 m und 31,4 m² Abströmfläche fließen beispielsweise 94,2 m³/s direkt in diese Senke ab. Durch Rotation und direkten Abfluß in die Senke sind Rückströmungen 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 dem die Turbine antreibenden Potentialwirbel, und da der erforderliche Massenstromausgleich nur über tangentiale Einströmungen in das Leistungsmodul 1 gelangt, 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 MWh 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/Generatorkombinationen, 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 angepaßt. 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 das Verfahren 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.

Claims (7)

1. 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 vorbeiströmende 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.

2. 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 vorbeiströmende Parallelströmung in das leeseitige erste Unterdruckgebiet abströmt und gleichzeitig abgesaugt wird derart,
daß ein drittes 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.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmgeschwindigkeit der gewandelten Strömung durch Induktion erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Unterdruckgebiet innerhalb der Turbine erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmungen in das zylindrische Strömungsmodul tangential durch ein innendruckgesteuertes Klappensystem erfolgt.

6. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, 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.

7. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abströmende und abgesaugte gewandelte Strömung rotiert und damit Rückströmungen aus den vorbeiströmenden Parallelströmungen in das erste Unterdruckgebiet verhindert und daß mehrere rotierende Abströmungen in einer oder mehreren Ebenen des Strömungsfeldes miteinander kommunizieren.