DE3117875A1

DE3117875A1 - Verfahren und vorrichtung zum fremdenergiefreiem antrieb von walzen- und zylinderrotoren mit hilfe eines horizontalen zweischalen ueberstroemrotors

Info

Publication number: DE3117875A1
Application number: DE19813117875
Authority: DE
Inventors: Jürgen 1000 Berlin Hahn; Josef Dr.rer.nat. Lüdke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-11-18

Description

7. Patentansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dal der
erfindungsgemäße "Horizontale Zweischalen Überströmrotor" eigenständig, wie auch in Kombination mit Zylinder- oder Walzenrotoren1 zuin Antrieb von Energiegeneratoren, Land-, Luft- und Wasserfahrzeugen verwendet wird.
8. Patentansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäßen Horizontal-Rotore bei ausreichender mechanischer Stabilität aus Geflechten, Gittern, Loch-und Spreitzmaterialien - verschiedenster Art von Werkstoffen-hergestellt werden. Die Benutzung solcher Materialien dient der Gewichteinsparung. Die Gasundurchlässigkeit der Rotorflächen wird durch Überzug Mit dünnen Kunststofffolien erreicht.
90 Patentansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichtt, daß die, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugte Energie auch in Form von elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff gespeichert werden kann. Die Wasserstoffelektrolyse erfolgt durch eine erfindungsgemäße Ausnutzung, der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugten s.g. elektrischen "Restenergie".
Ausführungsbeispiel 2. (siche Zeichnung B1. 03) Ausführungsbeispiel 2, unterscheidet ich vom Ausführungebeispiel 1 nur durch die erfindungsgemäße Tatsache, dass zwei der Horizontalen Zwei schalen Überströmrotore" übereinanden in einen Anströmungswinkel von 90 °, angeordnet sind. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung, wird nicht nur die Leistung einer solehen Windnutzungsvorrichtung auf das Doppelte gesteigert, sondern auch das Anlaufmoment um ca. 30 % verkürzt.
Ausführungsbeispiel 3. (siehe Zeichnung Blo 04) Lfd. Nr.: Benennung: 1. Horizontal Zweischalen Uberströmrotor.
2. Flettnerrotor.
3. Flettnergenerator ohne Premdenergie, 4. Zusammenfassungsring oder -rotationskreuz.
Stromgenerator.
6. Antriebsrad zum Betrieb des Stromgenerators.
7. Flettnergenerator-Rotationsachse.
Ausführührungsbeispiel 4. (siehe Zeichnung B1. 05) Antriebsmethode zum Antrieb von Luft- und Wasserfahrzeugen mittals erfindungsgemäßer Rotorkombination: Fiettnerrotorrn Horizontalrotor.
Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise des erfindungs-Gemäßen Verfahrens und Vorrichtung zur lutsung und Umwandlung von Windenergie sit Hilfe von "Horisontalen Zweischalen Überatrömrotore an Hand der nachfolgend aufgefuhrten Ausführungsbeispiele: Zum Ausführungsbeispiel 1.: Die erfindungsgemäße Korrichtung sur Nutsung und Umwandlung von windenergie, bedient sich eines "Horisontalen Zweischalen Überströmrotors", welcher durch seine erfindungsgemäße Konstruktion, ein besonders geringes Eigengewicht besitzt und dadurch bedingt, ein sehr schnelles Anlaufmoment (von Stillstand) besitzt. Wie aus der Zeichnung auf Seite 10 hervorgeht, ist die Rotorschale erfindungsgemäß aus mechanischen Stabilitätsgründen und zur Vermeidung von wirbelströmungen mit Zwischenböden (5) und Strömungsleit- und Stabilisierungsblechen (4) versehen. Beide Rotorschalen, (d.h. der komplete Zweischalenrotor) (3) werden erfindungsgemäß mit Hilfe von Verbindungstraversen (13) und eines Verspannungssekls (2) auf der Rotorwelle (1) derart befestigt, daß beide Rotorschalen gemäß Ausführungsbeispiel 1. Fig. b. ineinander grifen und den erfindungsgemäßen Zweischalenrotor Fig. d. bilden.
Der Strömungswiederatand einer konvexen und einer konkaven Halbrchrschale beträgt cw-konv. = 1,2; cw-konk. = 0,3 ; d.h.
daß der Gesammtwiederstand des erfindungsgemäß konstruierten Rotors faßt den Wiederstandswert cw eines Rotierenden Zylinders von 0,185 be@itzt.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel a., sich eines Horisontalrotors bedient, bedarf diese Kaine besondere Windorientierungsvorrichtung, da der erfindungsgemäß konstruierte Rotor sich aus jeder Anströmungariohtung in Drehbewegung setzt. Da der Strömungswiederstand einer konvexen Schale größer ist al. der einer konkaven Schale, worden die aus einer bestimmten Richtung ankonenden Windetrömungen in die konkave Rotorseite (4) einströmen u. durch den Überströmkanal (2) aus der zweiten, dem Wind abgekehrten Seite nach Abgabe der kinetischen Restenergie, den Rotor wieder verlassen. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Überströmkanäle ( 1 und 2 ) wird, der bereits des größten Teils seiner kinetischen Energie entledigte Wind, komprimiert, in die dem Wind abgekehrte Seite des Rotors, mit erhöhter Geschwindigkeit, übergeleitet, um nach Abgabe der kinetischen Restenergie auf die dem Wind abgekehrte Rotorseite, die Rotationsgeschwindigkeit bedeutend zu erhöhen.
Die kinetische Windströmungsenergie, welche mittels des erfindungsgemäßen "Horizontalen Zweischalen Überströmrotors" (3) in Rotationsbewegung umgewandels, wird nunmehr durch die Rotor- und Antriebswelle (1) über das Antriebsrad (8) an den Stromgenerator (9) abgegeben. Der Stromgenerator (9) erzeugt seinerseits die gewünschte elektrische Energie.
Die Erzeugung der elektrischen Energie, ist aber nur die eine Seite, die andere Seite ist im Verbrauch der erseugten Energie su suchen. Wir wissen es aus Erfahrung, daß der Energieverbrauch nicht immer mit der Energleerseugung konform geht. Um aber die erzeugte elektrische Energie sinnvoll ausnutzen su können ist eine Energiespeicherung unumgänglich.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherung, erfolgt (siche Zeichnung Blatt 06 ) auf zwei verfahrenstechnisch verschiedenen Wegen.
Aus dem erfindungsgemäßen Anwendungsschema ist ersichtlich, daß die durch die Rotation des Windgenerators (1) erzeugte Rotationsenergie, mittels eines elektrischen Strongenerators (2) in elektrische energie umgewandelt wird. Der Verbraucher (3) kann nun direkt s@inen etwaigen Energiebedarf decken. Bei erhöht Energieaufkommen ergibt sich die Notwendigkeit die Energie sinnvoll und ohne große Verlußte zu speichern, Zur direkten Speicherung der elektrischen Energie stehen une nur wenige Wege offen, einer dieser Wege besteht in der Speicherung der elektrischen Energie in Accumulatoren (9). Es ist aber auch bekannt, das Acoumulatore einen sehr schlechten Wirkungsgrad haben. sehr kostspielieg sind und daher auch unwirtschaftlich sein können. Dennoch kann em nötig sein Accumulatore als Speicher oder zur Energiepufferung einzusetzen.
Es ist weiter auch bekannt, daß Stromgeneratoren drehzahlabhängig sind, d.h. die Leistung eines elektrischen Stromgenerators, bzw. seine elektrische Spannung (V) hängen von der Drchsahl ab. Konstante Drchsahl eines Stromgenerators bedingt aber eine solche auch beim Windgenerator. Da aber der Wind keine konstante Strömungsgeschwindigkeit über einen längeren Zeitraum bietet, kann die "Konstante Drchzahl" eines Windgenerators nur mit komplisierten, technischen Drchsahlregeleinrichtungen erreicht werden. .Natürlich kann man wechselnde Windströmungsgeschwindigkeiten durch Verstellen der Rotorblätter, komplizierte Wechselgetriebe usw. crreichen, doch diese Regelvorrichtungen sind fUr kleinere und mittlere Windkraftanlagen zu komplisiert, teuer, zu schwer und im Endeffekt unrentabel.
Wir wissen aus Erfahrung, daß die elektrische Energie nioht nur zum Betreiben elektrischer Anlagen, sondern in nicht unerheblichem Maß zum Heizen, Warmwasserbereiten, Kochen usw.
Verwendung findet. Wir sind gewöhnt zu Kochen und zu Heizen mittels elektrischer Energie. Wir verbrennen wertvolle Brennstoffe um mit einem schlechten Wirkungsgrad, elektrische Energie zu erzeugen und verwenden dann wieder den Strom um Wärme zu erzeugen. Diesen Weg der Energieverschwendung sollte man nach Möglichkeit vermeiden.
Die hier erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung nutzt die gesammte Palette der durch den elektrischen Stromgenerator erzeugten Stromspannwlgen. Wobei der Teil der elektrischen Leistung, welcher durch niedriege Windgeschwindigkeiten und folglich geringe Drehzahl des Stromgenerators im nied@ren Spannungsbereich, anfällt, für die elektrolytische Wasserstofferzeugung (6) benutst wird.
Diesen durch Elektrolyse erzeugten, Wasserstoff kann man billig und beliebieg lange lagern (8). da Wasserstoff einen sehr hohen Verbrennungswert hat und schr umweltfreundlich verbrennt.
Es sollte einer solchen Energiespeicherungamethode der Vorrang gegeben werden. Den aber in Accumulatoren (9) gespeicherten "Elektrischen Strom" kann man direkt, oder mittels eines elektro Umformers (10) (in seiner Spannung veränderten Strom) in allen Anwendungsbereichen benutzen.
Die Leistungsfähigkeit und -kapasität einer Windkraftanlage hängt von mehreren Faktoren, d.h. von der Güte aller mit der Anlage funktionsgebundenen Einzelelementen ab.
Es gibt keine "perpetuum mobiles", auch eine win dkraftanlage kann nicht mehr Energie umwandeln, als ihr sur Verfügung steht. Windgeneratoren sind keine Energieerzeuger, sondern Energiewandler, welche die kinetische Windenergie in eine andere Energiefor X wandeln können. Die Leistungsberechnung einer Windkraftanlage, erfolgt nach der Formel: 1. N @ (m/2 . @2) # v = mkp.
in der Praxis kann Jedoch die nachfolgende Berechnungsformel mit genügender Genauigkeit verwendet werden: 2. N = 0,000255 # v3 # F (kW).
Die nachfolgend aufgeführte Windleistungstabelle gibt einen Überblick über eine theoretisch mögliche Windgeneratorleistung bei verschiedenen Windströmungsgeschwindigkeiten pro m2 Generatorfläche (Rotorfläche).
Tab. 1.: v = m/s. 2 3 4 5 6 7 8 N = w 2 w 7 W 16 W 31 W 55 W 87 X 130 W Y = m/s. 9 10 11 12 13 14 N = W 186 W 255 W 340 W 440 W 560 W 700 W.
Mit Hilfe eine erfindungsgemäßen Prototyps, mit einer wirksamen Rotorfläche von 4 m2 wurden nachfolgend aufgeführte Leistungswerte ermittelt: Tab. 2.: v = m/s. 2 3 4 5 6 7 8 N = W 5,7 W 19 W 36 r 83 W 154 w 250 W 370 W v = m/s. 9 10 11 12 13 N = W 520 W 720 W 954 W 1300 W 1700 W Die, durch den erfindungsgemäß konstruierten Windgenerator nach Aueführungsbeispiel 1., ersielten Leistungswerte, wurden mittels Leistungsabgabemessungen eines Drchstromgenerators ermittelt.
Tab. 3.: Windstärkenzkala nach Beaufort Windstärke: Strömungsgeschwindigkeit m/s.: 0 bis 0,2 1 0,3 bis 3,3 2 1,6 bis 3,3 3 3,4 bis 5,4 4 5,5 bis 7,9 5 8,0 bis 10,7 6 10,8 bia 13,8 7 13,9 bis 17,1 Ausführungsbeispiel 2. (siehe Zeichnung B1. 03) Ausführungsbeispiel 2 ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Windgenerator zum Unterschied des Ausführungsbeispiels 1, zwei der erfindungsgemäßen Rotore in einem Anströmungswinkel von 90 ° versetzt, besitzt. Durch diese arfindungsgemäße Anordnung der Rotore, wird nicht nur die Leistung auf das Dopellte erhöht, sondern auch die Anlauizeit (vom Stillstand aus gesehen) herabgesetzt.
Ausführungsbeispiel 3. (siehe Zeichnung B1. 04) Ausführungsbeispiel 3, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der "Horizontale Zweischalen Überströmrotor" zum Betrieb vqn Flettnerrotoren oder Flettnerganeratoren verwendet wird. Der Flettnerrotor benötigt einen Fremdantrieb, welcher bisher durch Premdenergieentriebe, wie s.B. Elektromotore oder Verbrennungsmotore erfolgt. Diese Antriebsart ist jedoch energetisch nicht zu vertreten, da zur Erzeugung elektrischer Energie rd 70 « der eingesetzten Energie verloren gehen (Wirkungsgrad der E-Werke ca. 30 %), zum Betrieb eines Piettnerrotors müssen 25 % der erhotften Energie, als primär Antriebsenergie aufgebracht werden, folglich ist der Nutzeffekt eines "solchen" Flettnerrotors recht fragwürdig.
Um diesem Urstand su egegnen und Hilfe der Flettnerrotore wirklich Windenergie nutavoll in andere Energie formen ussuwandeln, wurde erfindungagemäß der Flettnerrotor mit dem erfindungsgemaßen "Horizontalen Zweischalen Überströmrotor" versehen, um durch diesen angetrieben, ein "wirklicher Windgenerator" ohne Fremdenergieantrieb zu sein.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Antriebes sollen Flettnerrotoren und -generatore ihre Leistung nur aus der Windenergie beziehen.
Ciehe Zeichnung B1. @5 Aus@@hrungsbeispiel 4.

Claims

Der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen "Verfahrens

und Vorrichtung zur Nutzung und Umwandlung ton Windenergie nit Hife von"Horizontalen Zweischalen Überströmrotere", soll an Hand einiger Ausführungsbeispiele erläutert werden.

Ausführungsbeispiel 1. B1. 1., Fig. a+b (siche Zeichnung B1. 01) Lfd. Nr.: Benennung: 1. Rotor- und Antriebswelle, 2. Stabili@. rungsverspannungsseil, 3. Horizontal Zwei schalen Überströmrotor, 4. Strömungsleit- und Stabilisierungsbleche.

5. Zwischenböden, 6. Verbindung zwischen Rotor- und Antriebswelle.

7. Ständerrohr.

8. Befestigurgsseile, spannbar.

9. Antriebsrad.

10. Stromgenerator.

11. Ständergestell.

12. Strömungsaustrittskanal.

13. Verbindungstraverse.

Fig.: C Querschnit der Strömungsprofile: (siehe Zeichnung 31. 02 1. Gasexpansions- und -austrittsdüse.
2. Gaskompressionsprofil.
3. Zwischenboden für mechanische und strömungstechnische Stabilisierung.

Pig.: d . Rotorschaufel, gestreckt: 1. Gasexpansions- und -austrittsdüse.

2. Gaskompressionszone.

3. Gasleitzone.