DE2920243A1

DE2920243A1 - System zur gewinnung und regulierung von energie aus stroemungen der luft, der meere oder fluesse

Info

Publication number: DE2920243A1
Application number: DE19792920243
Authority: DE
Inventors: Martinez Valentin Zapata
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-20
Filing date: 1979-05-18
Publication date: 1979-11-22

Description

System zur Gewinnung und Regulierung von
Energie aus Strdmungen der Luft, der Meere oder Flüsse Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen zum Gegenstand der spanischen Patentanmeldung Nr. 454 192, also auf eine besonders wirkungsvolle Konstruktion zu einem System der Energiegewinnung und -regulierung aufgrund von Luft- Meeres- oder Flußströmungen. In diesem Zusammenhang schafft die vorliegende Erfindung auch eine neuartige Einrichtung zur Drehrichtungsumkehr, welche sich besonders für eine Anwendung bei polikonoiden zyklonischen Umkehrvorrichtungen eignet.
Durchgeführte Versuche zur praktischen Verwirklichung der Erfindung haben deren Oberlegenheit gezeigt, und zu einer neuen Art der polikonoiden Zyklonumwandlung geführt, welche im Rahmen des genannten Systems einsetzbar ist und welches auch unabhangig betrieben werden kann, namlich mittels Luftströmungen oder mittels Hydrolysestationen, Gaserzeugern oder Sonnenenergie. Die genannten EnergietrEger sind mit einem derartigen Zyklonumwandler koppelbar mit der Folge der Erzeugung eines erforderlichen (künstlichen) Luftstroms für den Fall, daß eine natUrliche Luftstromung nicht vorhanden ist, sowie der nachfolgenden Umwandlung in elektrische Energie.
Die entwickelte Vorrichtung besteht in ihrer Version "Duplex" aus Turbine und Diffusor, die sich konzentrisch und in entgegengesetzter Richtung um eine gemeinsame Welle drehen. Mittels einer elementaren Umkehrvorrichtung, welche ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, geben beide Energieumwandlungsvorrichtungen gleichzeitig die aufgefangene Energie an ein Schwungrad ab. Die Kupplung an einen Generator ist direkt.
Wenn bei der Entscheidung die Anlagekosten über die Betriebskosten gestellt werden, so kann eine einzige Turbine ohne drehbaren Diffusor zur Anwendung kommen - diese Version sei mit "simplex bezeichnet.
Die in der Turmbasis eines in der spanischen Patentanmeldung Nr. 454 192 beschriebenen Windturms angeordneten Energieumwandlungsvorrichtungen stellen die einzigen beweglichen Elemente des Systems dar. Hierbei handelt es sich um kleine und kompakte Einheiten. Als Folge der wechselseitigen Formgebung der Turbinen- und Diffusorschaufeln, bildet sich im Inneren des Diffusors, unter einem Membranregler, eine zweite Vortize (Wirbelstromung), die ihre Energie durch Anstromen gegen die Oberflache der inneren Schaufeln des Diffusors an das Umwandlungssystem abgibt, wobei die untere Vortize und der Diffusor drehend gekoppelt sind. Die Luft des unteren vortikalen Umwandlungszyklons wird durch eine obere (im Bereich des Turms vorhandene) Vortize abgesaugt.
Das größte Problem bei der Ausnutzung der Windenergie liegt, abgesehen von ihrer niedrigen Energiedichte, welche wie dargelegt Uberwindbar ist, in ihrer großen UnregelEßigkeit.
Es gibt im wesentlichen zwei Unregelmaßigkeiten die zu kompensieren und zu steuern sind: die eine ist die Unregelmãßigkeit des Windes, die andere diejenige der Verbrauchsschwankungen. Ausgehend von einer bestimmten Nennleistung kann eine Windzentrale entworfen und gebaut werden, die derart ausgelegt ist, daß sie eine höhere mittlere Leistung als der Mittelwert der geplanten Bedarfsgrenze erreicht.
Wie schon erwahnt umfaßt die Erfindung noch eine Umkehrvorrichtung die dazu dient, die Anordnung der Turbinen/Diffusor-Schaufeln um eine gemeinsame Achse zu ermöglichen.
Obwohl es sich dabei tatsEchlich um konzentrische, im entgegengesetzten Sinn rotierende Teile handelt, ernoglicht eine einfache Umkehrvorrichtung den Antrieb auf eine einzige Welle. Die Rotoren, die in eigenen Axiallagern abgestützt sind, und zwar Uber Scheiben welche die Last aufnehmen und verteilen, leiten die Kraft direkt bzw. nber die Umkehreinrichtung, gebildet (ähnlich einem Differential bei einem Automobilantrieb ) aus paarweisen Drehkranzen und Kegelzahnradern, an den am unteren Ende der Welle sitzenden elektrischen Generator.
Die erfindungsgemäße Umkehrvorrichtung ist direkt (entsprechend der Nenndrehzahl der Turbinen/Diffusor-Einrichtung) oder unter Anwendung konventioneller Kupplungen und Wandler mit einem Dynamo oder einem elektrischen Umformer verbunden.
Die neuartige Vorrichtung ähnelt, wie bereits gesagt,dem Differential im Automobilbau, was bedeutet, daß die Geschwindigkeiten der drei beweglichen Körper zueinander prpportional sind, und zwar des einen mit Bezug auf die summe oder die Differenz der beiden anderen. Unter dseser Annahme lEuft die Umkehrvorrichtung mit entsprechend proportionalen Geschwindigkeiten.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erlutert. Es zeigt Fig. 1 einen geschnittenen Aufriß eines polikonoiden Zyklonumwandlers, Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Hydrolysestation und einer Gasstation, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Solarstation,und Fig. 4 einen vertikalen Axialschnitt durch diene Umkehrvorrichtung In Fig. 1 sind keilförmige Leitbleche 15 dargestellt, welche die Windströmung 18 auffangen und sie in den Vortizenkanal 16 einleiten, wobei in dessen Inneren eine Vortize 17 induziert wird, in deren Folge eine Zyklonströmung 19 entsteht. Die Windströmung 18 gelangt auf die Leitbleche 15 von bestimmter Form indem sie vorher von den Auffangblechen 14 erfaßt wird.
Der polikonoide Zyklonumwandler weist an seinem unteren Ende einen damit verbundenen elektrischen Generator 1 auf; er ist über eine Kupplung 2 mit einem Schwungrad 3 zum Zwecke der Energieübertragung verbunden.
Das Schwungrad 3 ist auf festen Stützen 4 über Walzen gelagert, womit das Gewicht des Schwungrads problemlos abgefangen wird.
Ein sowohl mit dem Schwungrad 3 als auch mit dem Generator 1 über eine gemeinsame Welle verbundenes Umkehrgetriebe 5 befindet sich über dem Schwungrad 3 bzw. den Stützen 4; das Umkehrgetriebe 5 bewirkt letztlich, wie sein Name bereits sagt, die Umkehr der Drehrichtung der Schaufeln der Turbine 6 (wo die zyklonische Leistungsumwandlung stattfindet) welche einerseits von der Windstrõmung >e andererseits von der induzierten Strömung 8 angeströmt wird, wobei eine Zyklonströmung 19 durch den Vortizenkanal 16 entsteht. Bislang war die Rede von der Wind- bzw. Luftströmung die sich spontan vor dem polikonoiden Zyklonumwandler ausbildet. Sehrwohl existiert aber auch die Alternative, daß im Falle eines Abklingens der Luftströmung, eine solche auf künstliche Weise erzeugt werden kann mittels einer Hydrolysestation, einer Gasstation (Fig. 2) oder einer Solarstation (Fig. 3). Die Regulierung von Bedarfsschwankungen wird mittels Drosselung oder VerEnderung des Ansaugquerschaitts durch einen Membranregler 11, der einen Hilfsregler 10 zur Steuerung der Turbinenströmung aufweist, und gleichzeitig durch Einführung von vorher gespeicherter, überflüssiger Windenergie in das System durchgeführt. Mit Bezugnahme auf die Fig. 2, nämlich die Hydrolysestation und die Gasstation, erlaubt es die verfugbare Energie, Wasser aus dem Untergrund oder aus dem Meer zu pumpen. Mittels einer einfachen elektrolytischen Einheit (Fig. 2) erhält man Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Wasser, wobei der Sauerstoff als solcher im Rahmen des Systems nicht interessiert, hingegen Sehr wohl der Wasserstoff. Der abgetrennte Wasserstoff wird in die Brenner 12 eingespeist und erzeugt mittels der Verbrennungsluft 9 und nach vorheriger Regulierung der Strömung der induzierten Luft 8 mittels des Membranreglers 11 in der Brennkammer 13 eine induzierte Saugströmung 20 und folglich eine kUnstliche para-vortikale Luftströmung.
Eine Variante betrifft eine Gasstation (Fig. 2), die den zusatzlichen Brennstoff liefert im Falle des Verbrauchs der Elektrolyteinheit oder in Abwesenheit einer naturlichen Luftströmung.
Wie bekannt erzeugt eine ansteigende Strömung (oder ein ansteigender Warmestrom) eine horizontal Konvergente para-vortikale Strömung in zur vertikalen Ströxungsache senkrechten Ebenen. Umgekehrt ruft eine para-vortikale Stromung (mit einem der jeweiligen HimsphEre entsprechenden Drehsinn) eine ansteigende Strömung hervor. Beide entstehen in obereinstismung mit den bekannten Gesetzen der interaktiven Ströme.
Der polikonoide Zyklonumwandler gern. Fig. 3 ist auch für die Ausnutzung von Sonnenenergie (ffir den Fall daß eine Luftströmung fehlt oder die Hydrolyse- oder Gasstation nichts liefert) ausgelegt. Die Luftleitbleche der Konvektoren können als Trager von Solarzellen (z.B. spannungsoptischen oder polikristallinen Zellen) benutzt werden.
Diese zusatzliche Ausnutzung der für die Strömungsumlenkung notwendigen Oberfläche und die Einrichtung eines (um den Windturm herum gelegten) Warmespeichers aus industriellen Massenprodukten wie Ton mit eisen- /aluminiumhaltigen Füllungen schwarzer, warmeabsorbierender Oberflache, ergeben eine gemischte Sonne-Windeinheit.
Die von der Sonnenenergie erzeugte Warme, die vom Wärmespeicher an den induzierten Luftstrom 8 abgegeben und hin zu den Konvektoren der Turmbasis und an den Kern der Energieumwandlung gestrahlt wird (also im Bereich des zyklonischen Leistungswandlers 6),fließt durch die Turbinen zum Vortizenkanal 16. Durch die Instabilität des Ansteigens der angesaugten warmen Luft wird dem System ein zusEtzlicher Energieanteil zugeführt.
Derartig ausgelegte Zyklontürme bieten somit die Moglichkeit, in einer Erzeugereinheit zwei Alternativen der Energie zu vereinen: die Windströmung 7 und die durch die Solarstrahlung erzeugte induzierte Stramung 8. Gemäß Fig. 4 ist an eine gemeinsame Welle 21 die Stützscheibe 22 der Turbine angebaut, deren Schaufeln darauf konzentrisch angeordnet sind; im unteren Teil der Welle 21, auf einer beweglichen Stützscheibe 23, sind die Diffusorschaufeln befestigt unter Berücksichtigung der Strömungsmechanismen zur Leitung der anströmenden Luft. Diese Luft erzeugt in der Turbinen/Diffusor-Einheit einen Wirbel im Inneren und somit eine Zyklonströmung.
Die Stützscheibe 33 des Diffusors ist unmittelbar auf einem Drehlager 25, 25' aufgenommen und sitzt fest auf einem (zur Welle konzentrischen) Teil, an welchem die die Drehrichtungsumkehr bewirkenden Bauteile abgestützt sind; diese bestehen aus zwei Drehkränzen, zwischen denen Kegelzahnrader 24, 24' eingreifen, so daß diese Teile eine direkte Verbindung mit dem elektrischen Generator herstellen. Am unteren Ende dr Vorrichtung befindet sich ein weiteres Axiallager 26, 26', dessen Innenring auf der Welle 21 sitzt; somit dreht sich die Umkehreinrichtung um die Kegelzahnrader 24, 24' in Art eines Differentials, wobei es zu Einer Drehrichtungsumkehr der beweglichen Diffusorscheibe 23 im Sinne der Drehung der Turbinenscheibe 22 kommt.
Mit dieser neuartigen Vorrichtung gelingt es bei Zuführung der Luftströmung mittels eines Membranreglers, an den ein Hilfsregler angeschlossen ist, welcher den Lufteinlaß regelt, daß infolge des Aufströmens gegen die konzentrisch angeordneten Turbinen/Diffusor-Schaufeln im Inneren ein Luftwirbel entsteht, der wie z.B. in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben nach oben steigt und somit einen Zyklon bildet.
Lee r ei t e

Claims

Patentansprilche! 1. System zur Gewinnung und Regulierung von Enecgie aus Strömungen der Luft, der Meere oder FlUsse, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlung in einer Turbineneinheit oder in einer Turbinen/Diffusor-Einheit erfolgt, daß Turbineneinheit und Diffusoreinheit ii Gegensinn um eine gemeinsame Welle rotieren und daß die verfügbare Energie auf ein Schwungrad übertragen wird, welches mit eine Generator kuppelbar ist, derart, daß sich infolge der Wirkung der Leitschaufeln von Turbinen- und Diffusoreinheit eine Vortize ausbildet, die ihre Energie an das Systen durch Abströmen der inneren Leitschaufeln des Diffusors abgibt.
2. System nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Windströiung durch keilförmige Leitbleche aufgefangen wird, die sie einen Strönungskanal zufUhren und dort eine Vortize (Zyklonströmung) induzieren.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen polikonoiden Zyklonumwandler umfaßt, der die Energie auf einen elektrischen Generator UbertrEgt, wobei ein Schwungrad zwischengeschaltet ist, daß die genannten Teile auf einer gemeinsamen Welle sitzen und daß eine Einrichtung zum Umkehren der Drehrichtung eines mit Leitschaufeln versehenen Rotors konzentrisch um die Welle angeordnet ist,whe'einerseits von der Windströmung andererseits von einer induzierten Strömung, hervorgerufen durch die ZyklonstrSmung,beaufschlagt wird.
4. Einrichtung nach einem der AnsprUche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle des Abflauens des Windes an die Stelle der nattirlichen Luftströung eine Hydrolysestation, eine Gasstation od. dgl.

tritt, derart, daß Bedarfsschwankungen durch Drosselung des Ansaugquerschnitts durch einen Membranregler, der einen Hilfsregler zur Steuerung der Turbinenströmung aufweist,unter Ausnutzung von in das System eingeflihrter überschüssiger Windenergie kompensierbar sind.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer Hydrolysestation gewonnene Wasserstoff in Brenner eingepeist wird und von dort nach Vermischung mit Verbrennungsluft und nach vorheriger Regulierung der Strömung der induzierten Luft mittels des Membranreglers einer Brennkammer zugeführt wird mit dem Ergebnis der Erzeugung einer induzierten Saugströmung und somit einer künstlichen para-vortikalen Luftströmung.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der polikonoide Zyklonumwandler zur Ausnutzung von Sonnenenergie geeignet ausgebildet ist, wobei die Luftleitbleche der Konvektoren als Trager von Solarzellen ausgebildet sind.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer zusEtzlichen Wärmequelle z.B. durch Sonnenenergie durch eine Gas-oder Nydrolysestation erzeugte Warme von einem Warmespescher an den induzierten Luftstrom abgegeben wird , s wonach die erwärmte Luft durch die Turbinen zum Vortizenkanal strömt unter Einbringung zusätzlicher Energie in das System infolge der InstabilitEt der ansteigenden Strömung der warmen Luft.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Drehrichtungsumkehr, welche mit den Einheiten zur Energieumwandlung zusammenwirkt, vorgesehen ist, derart, daß diese Einheiten auf eine gemeinsame Achse treiben, wobei die Vorrichtung in Art eines Differentialgetriebes ausgebildet ist, also zwei Drehkranz und dazwischenangeordnete Kegelzahnräder umfaßt, welche die Drehbewegung zwischen einem mit einem Wandlerteil verbundenen lose auf der Welle sitzenden Rotorteil und einem fest mit der Welle verbundenen zweiten Rotorteil dbertrEgt.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungseinheiten eine Turbine und ein D$dsor sind, welche um eine gemeinsame Welle angeordnet sind und Leitschaufeln aufweisen, welche eine entgegengesetzte -Drehung ihrer Stützscheiben verursachen, wobei die Stützscheibe des unter der Turbine angeordneten Diffusors auf einem Rotorteil in Form eines konzentrischen Lagerteils sitzt, der wiederum ein Axiallager aufweist, dessen Außenkranz mit einem die Kegelzahnräder der UmkehrYorrichtung lagernden Teil drehfest verbunden ist.