DE3330899C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Bei der Suche nach Energie hat sich das Interesse wieder der unerschöpflichen Windenergie zugewandt. Die seit lan­ gem bekannten Windgeneratoren müssen jedoch im Vergleich zu anderen Energielieferanten sehr groß ausgelegt werden, können nur innerhalb eines begrenzten Geschwindigkeitsin­ tervalls betrieben werden und sind schwer regelbar. Wind­ energie zu verdichten, ehe sie eine Turbine antreibt, wird allerseits als Wunschziel der Windkrafttechnik angesehen.

Es sind bereits windkonzentrierende Vorrichtungen bekannt. Bei der Mantelturbine enthält der Generator eine tragflü­ gelartige Ummantelung, bei der die Saugseite innen liegt. Die auf der Saugseite sich bildende Übergeschwindigkeit wird genutzt (Ingra, O.: Design and Construction of a Pilot Plant for Shrouded Wind Turbine. Second Internatio­ nal Symposium on Wind Energy Aystems 1978). Eine solche Mantelturbine erreicht zwar gegenüber dem freifahrenden Rotor eine Leistungskonzentration von 3,5, doch muß der Mantel einen doppelt so großen Durchmesser haben wie die Turbine und die Länge muß noch größer sein als dieser Durchmesser.

Bekannt ist auch der Tornado-Wirbelturm, bei dem der Wind - durch Leitschaufeln geführt - tangential in einen zylin­ drischen Topf einströmt. Im Innern des Zylinders bildet sich ein Wirbel aus. Der Unterdruck im Kern dieses torna­ doähnlichen Wirbels wird in Geschwindigkeit übersetzt, in­ dem Luft von unten durch ein Loch in den Wirbeltopf ein­ strömt (Yen, J. T.: "Summary of Recent Progress on Tornado- Type Wind Energy System". Third Wind Energy Workshop 2, Springfield 1977). Auch bei dieser Anordnung dürfte der Aufwand im Vergleich zum Leistungsgewinn unverhältnismäßig hoch sein.

Daneben ist noch der sogenannte "Deltaflügel-Windkonzen­ trator" bekannt. An einem angestellten schlanken deltaför­ migen Tragflügel bilden sich als Folge des Druckunter­ schieds zwischen Ober- und Unterseite des Flügels zwei kräftige Kantenwirbel aus. Die Wirbelfelder sind dabei Ge­ biete mit konzentrierter kinetischer Energie (Staufenbiel, R.; Öry, H.; Greff, E.; Holzdeppe, D.: "Konzentration der Windenergie in Wirbelfeldern und deren Ausnutzung zum Zwecke der Energieerzeugung". Abschlußbericht zum BMFT- Projekt Nr. 3-ET 4252 A/B 1982). Als bester erreichbarer Wert ergibt sich bei dieser Anordnung eine Leistungskon­ zentration von 1,7, so daß eine Nutzung des Kantenwirbels in dieser Form wegen der zu geringen erzielbaren Verstär­ kung unwirtschaftlich wäre.

Aus der FR-PS 24 91 155 ist ferner eine Anordnung zur Ver­ größerung der Geschwindigkeit eines Luftstroms in der Wei­ se bekannt, daß bei der schräg gerichtete Leitschaufeln um einen zylinderförmigen Tunnel herum angeordnet sind, in dem sich der Rotor einer Windturbine befindet. Hier wird jedoch lediglich der äußeren Strömung ein Drall erteilt, welche nach Art eines Tornados einen inneren Unterdruck erzeugt, der durch die Strömung innerhalb des Tunnels ausgeglichen wird. Die so erzielbare Beschleunigung ist jedoch relativ gering, da die Energie der äußeren Luft­ strömung kaum genutzt wird eine Überlagerung der Wirbel kann wegen des tunnelförmigen Innenmantels nicht auftre­ ten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine leistungsfähige Anordnung zur Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes zu schaffen, die bei geringem Aufwand eine erhebliche Herauf­ setzung der Geschwindigkeit und damit eine wesentlich ver­ besserte Leistungsausbeute ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im Patent­ anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß zwischen Elektrotechnik und der Strömungstechnik eine Analogie vor­ handen ist. Diese besteht darin, daß ein elektromagneti­ sches Feld um einen beliebig gebogenen drahtförmigen Lei­ ter und ein Strömungsfeld um einen beliebig geformten Wir­ belfaden durch den gleichen Zusammenhang beschrieben wird, nämlich das Biot-Savartsche Gesetz. Die Größen "Zuwachs an magnetischer Feldstärke" und "Geschwindigkeitszunahme" des Strömungsfeldes entsprechen dabei einander. Da sich die magnetische Feldstärke dadurch konzentrieren läßt, daß man einen stromdurchflossenen Leiter zu einer Spule auf­ wickelt, kann man analog dazu auch in der Strömungstechnik eine der Feldstärkevergrößerung entsprechende Geschwindig­ keitszunahme erzielen, indem man einen bzw. mehrere Wir­ belfäden zu einer (Wirbel-)Spule "aufwickelt". Die Achsen mehrerer sich gleichsinnig drehender Wirbelfäden liegen dabei auf einem Kreis und drehen sich infolge der gegen­ seitigen "Induktion" um den Mittelpunkt des Kreises. Die Induktion wächst dabei mit der Zahl der Wirbel. Die Wirbelfäden nähern mit steigender Aufspulgeschwindigkeit der Form einer aus dicht an dicht liegenden Ringwirbeln bestehenden Wirbelspule. Das Geschwindigkeitsfeld, das diese Wirbelspule in Inneren induziert, erzeugt den er­ strebten Konzentrationseffekt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

An einer drehbaren Halterung 1 sind wirbelerzeugende Ele­ mente 2, d. h. Segelflächen oder Tragflügel, kreisförmig angeordnet. Die an den innenliegenden Kanten entstehenden Wirbel bilden Schrauben und überlagern sich zu einer Wir­ belspule, welche den Rotorkanal durchdringt. Die Elemente können starr befestigt oder beweglich angebracht sein, so daß sich der Anstellwinkel verändern läßt. Innerhalb der Strömung ist ein Generator 3 so mit der Halterung verbun­ den, daß er in Strömungsrichtung verschoben werden kann.

Mit einer solchen, einen "Wirbelschraubenkonzentrator" bildenden Anordnung, sind bereits Leistungskonzentration­ en bis 8,6 gemessen worden.

Bei der Ausnutzung der Windenergie bereitet das Verhalten der Luftströmung Schwierigkeiten. Der Wind ändert unvor­ hersehbar seine Richtung und seine Stärke; ein Sturm kann die Anlage zerstören.

Ist der hier beschriebene Wirbelschraubenkonzentrator auf einem Turm oder Mast derart drehbar angebracht, daß er sich frei um eine vor dem Neutralpunkt der wirbelerzeugen­ den Elemente liegende Achse drehen kann, so richtet er sich von selbst in die zur maximalen Energiegewinnung er­ forderliche Stellung zum Windeinfall aus.

Projekterfahrungen mit Windenergiekonverten zunehmender Größe haben gezeigt, daß im natürlich schwankenden Wind Rotorblattbelastungen auftreten, deren Beherrschung zu­ nächst unterschätzt wurde. Die Arbeitsweise des Wirbel­ schraubenkonzentrators ist jedoch geeignet, Kurzzeit­ schwankungen des Windes zu glätten. Bei einem plötzlich angeströmten Tragflügel bildet sich zunächst ein auf­ triebsloses "Potentialstromlinienbild" aus. Erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung entstehen dazu Anfahr-, Zirkulations- und Randwirbel. Jede Auftriebsänderung, her­ vorgerufen durch Richtungs- oder Geschwindigkeitsschwan­ kungen des Windes, ziehen eine solche Wirbelumbildung nach sich. Das dem Generator vorgeschaltete geschwindigkeits­ konzentrierende System fungiert damit wegen der zum Wir­ belaufbau benötigten Zeiträume zugleich als "Böenglät­ tungsglied".

Zur Sicherung gegen Sturmschäden ist es ein Vorteil, daß die beweglichen Teile des Systems (Rotor des Generators) gegenüber herkömmlichen Windenergiekonvertern gleicher Leistung um fast zwei Drittel kleiner sind; sie bieten da­ mit weniger Angriffsfläche. Zusätzlich ist eine anstell­ winkelvariable Lagerung der Trag- oder Segelflächen dar­ stellenden wirbelerzeugenden Elemente von Vorteil, die sich bei Sturm von selbst in die Nullauftriebsrichtung ausrichten. Außerdem kann am Turm an geeigneter Stelle ein Schwenklager 4 vorgesehen werden, mittels dessen das System bei extremen Windgeschwindigkeiten in eine gegen Sturm ge­ richtete Stellung gekippt werden kann.

Der Wirbelschraubenkonzentrator hat schließlich noch den Vorteil, daß neben der Rotorblattverstellung des Gene­ rators auch der Anströmwinkel der wirbelerzeugenden Ele­ mente als regelungstechnische Stellglied verwendet werden kann oder der Generator im Konzentratorstrom längsverscho­ ben werden kann.

Der Wirbelschraubenkonzentrator nach der Erfindung kann nicht nur - wie im Ausführungsbeispiel beschrieben - zur Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Gasstromes, sondern auch zur Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Flüssig­ keitsstromes benutzt werden.

Claims (3)

1. Anordnung zur Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes unter Ausnutzung des Rand- oder Kanteneffekts eines Tragflügels als wirbelerzeugendes Element, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mehrzahl derartiger wirbelerzeugender Elemente (2) kreisförmig angeordnet ist und
daß der überlagerte Strom der Mehrzahl von Elementen ( 2) einer Turbine (3) als Energiewandler zugeleitet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die wirbelerzeugenden Ele­ mente bildenden Tragflächen (2) derart beweglich angeord­ net sind, daß sie mit zunehmender Anströmung in die Nul­ lauftriebsrichtung gelangen.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung um eine vor dem Neutralpunkt der wirbelerzeugenden Elemente ( 2) gelegenen Achse drehbar ist.