DE4429376A1 - Verfahren und Einrichtung zur Leistungserhöhung von Vertikalachsenrotoren in Strömungsmodulen - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Leistungserhöhung von Vertikalachsenrotoren in StrömungsmodulenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Leistungserhöhung von Vertikalachsenrotoren in Ström
ungsmodulen, welche nutzbare Energie aus Parallel
strömungen, insbesondere anströmendem Wind beliebiger
Richtungen und Geschwindigkeiten nach dem Oberbegriff
des Hauptanspruches und auf eine Einrichtung zur
Durchfuhrung des Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung
ermöglichen die Ausnutzung sehr geringer mittlerer
Strömungsgeschwindigkeiten ab etwa 2-2,5 m/s und die
Ausnutzung der Windenergie bei allen auftretenden
Windgeschwindigkeiten und Witterungsverhältnissen.
Die Windverhältnisse eines Standortes sind von unter
geordneter Bedeutung, es sollte lediglich eine freie
Anströmung der Strömungsmodule gewährleistet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht weiterhin
die Ausnutzung regenerativer Energieträger in direk
ter Kombination von Wind- und Solarenergie.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung zur Versor
gung von einzelnen Wohnbauten oder höheren Gebäuden
anwendbar, auf welche die erfindungsgemäße Einrich
tung unter Nutzung der vorhandenen Bausubstanz auf
gesetzt werden können. Durch Übereinanderstapeln von
Strömungsmodulen können in einfacher Weise turmartige
Anlagen zur Nutzung von Wind- und/oder Solarenergie
errichtet werden.
Zur Nutzung von Windenergie sind Windkraftanlagen
mit Vertikalachsenrotoren in Strömungsmodulen be
kannt, welche staudruckbeaufschlagbare Klappen
zwischen die Klappen abdeckenden Platten mit minde
stens einer Ausströmöffnung aufweisen, wobei im
Bereich der Ausströmöffnung ein Vertikalachsenrotor
angeordnet ist. Dabei wird die Erkenntnis genutzt,
daß zwischen der Elektrotechnik und der Strömungs
technik eine Analogie besteht. Diese liegt darin, daß
ein elektromagnetisches Feld um einen beliebig geboge
nen drahtförmigen Leiter und ein Strömungsfeld um
einen beliebig gebogenen Wirbelfaden durch den glei
chen Zusammenhang, das Biot-Savartsche-Gesetz, be
schrieben werden.
Aus der DE-P 41 17 838.5 ist ein Verfahren und eine
Einrichtung bekannt, wonach beliebig geformte Wirbel
fäden in Strömungsmodulen erzeugt und zu induzierenden
Wirbelspulen durch eine aus einer Parallelströmung
erzeugte Drehströmung aufgewickelt werden. Im Bereich
des hergestellten Potentialwirbels wird eine Turbine
zur Erzeugung nutzbarer Energie angetrieben.
Weiter wurde vorgeschlagen, einen Vertikalachsenrotor
aus Hohlkörpern zu bilden, welche Anströmkanten und
Ausströmöffnungen aufweisen, so daß aus der Drehströme
in den Hohlkörpern Wirbelfäden generiert und durch
die Ausströmöffnungen in den Wirbelkern der Drehströ
mung eingeleitet und zu einer induzierenden Wirbel
spule aufgewickelt werden.
Nach diesen Verfahren arbeitende Strömungsmodule wei
sen Eigenschaften auf, die darin bestehen, daß unter
Belastung des Vertikalachsenrotors die ihn antreiben
de Drehströmung beschleunigt wird und die Kippmomente
über der Anströmfläche eines Strömungsmoduls, welche
in ein Fundament eingeleitet werden müssen, mit stei
gender Anströmgeschwindigkeit geringer werden, vor
ausgesetzt, daß nicht andere konstruktive Merkmale
des Tragwerkes überwiegen. Schallemissionen treten
nicht auf. Der im Wirbelkern angetriebene Vertikal
achsenrotor aus Hohlkörpern erzeugt auch keine nach
weisbaren Schwingungen, er wird durch den Wirbelkern
einer Selbstzentrierung unterworfen.
Nachteilig ist, daß das Anlaufverhalten des Vertikal
achsen-Hohlkörperrotors stark von der Stellung der
Hohlkörper zu den Einströmöffnungen bestimmt wird
und in einem größeren Anströmgeschwindigkeitsbereich
schwankt. Die Drehmomentbildung ist von der Form der
Hohlkörper und der Art der Wirbelfadengenerierung ab
hängig, es existieren viele konstruktive Variable,
die nur schwer überblickbar und im Wesentlichen nur
durch zeitaufwendiges Studium der Phänomene aufklär
bar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren und eine Einrichtung zur Erzeugung von nutzbarer
Energie aus Parallelströmungen und/oder solarer
Strahlungsenergie zu schaffen, welches natürliche
Prozesse nutzt und eine Schädigung der Umwelt dauer
haft ausschließen kann und eine Leistungserhöhung von
Vertikalachsenrotoren bewirkt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Hauptanspruches und des ne
bengeordneten Einrichtungsanspruchs gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Strömungsmodul von einer
Parallelströmung angeströmt. Kinetische Energie der
Parallelströmung wird an den an sich bekannten Klap
pen gewandelt, die Klappen sind jedoch flexibel feder
elastisch wirkend und von inneren und äußeren Drücken
in Einströmbereichen an die Strömungserfordernisse
selbsttätig anpaßbar, wodurch ein höherer Energie
ausnutzungsgrad erreicht wird. Die so hergestellten
Einströmöffnungen bewirken eine tangentiale Einströ
mung und die Herausbildung einer parallelen Drehströ
mung unter Überdruck im Strömungsmodul. Die Drehströ
mung strömt gleichförmig eine kammerartige Turbine
mit flexiblen, federelastisch wirkenden Schaufeln an.
Durch die kammerartige Struktur der Turbine wird die
Drehströmung in eine Vielzahl einzelner Massenströme
innerhalb der Turbine aufgeteilt. Die Wandreibungswi
derstände der Schaufeln werden durch Absaugung von
Molekülen verringert und die Relativgeschwindigkeiten
in Einströmbereichen zwischen den Schaufeln erhöht.
Die Drehmomenterzeugung folgt den allgemeinen Grund
sätzen für beschaufelte Turbinen, wie sie in der Eu
lerschen Strömungsmaschinenhauptgleichung beschrieben
sind. Erfindungsgemäß werden die Massenströme noch
mals im Bereich der inneren Ausströmöffnungen
zwischen den Schaufeln aufgeteilt. Die Viel
zahl der Massenströme wird verdoppelt, indem je Mas
senstrom eine Aufspaltung in laminar weiterfließende,
eine innere Drallströmung herstellende Massenströme
und in senkrecht zur Strömung generierte Zirkulati
onen erfolgt. Es wurde gefunden, daß Zirkulationen
unter Überdruck Energiekonzentratoren bilden, welche
die Relativgeschwindigkeit im Ausströmbereich der
Schaufeln verringern können und gleichzeitig den
Abflußwiderstand der kammerartigen Turbine koaxial
herabsetzen. Weiter wurde gefunden, daß die Generie
rung von raumfesten Wirbelströmungen ein zeitabhängi
ger Prozeß mit verschiedenen Phasen ist, die nur bei
Einhaltung definierter Bedingungen ablaufen. Zur Aus
bildung raumfester Wirbelströmungen werden die Zirku
lationen im Bereich der Ausströmöffnungen zwischen
den Schaufeln der kammerartigen Turbine geschwindig
keitskonzentriert in die innere Drallströmung über
Raumpunkte markierende Abströmspitzen ein- und in
eine sogenannte Schwellphase übergeleitet und
in der Drallströmung zu einer in Richtung
Ausströmöffnung immer dichter werdenden Wirbelschicht
gepackt. Dabei sind die Raumkoordinaten der Wirbel
strömungen durch die unter Überdruck des Strömungs
moduls hergestellte Drallströmung sowie durch das
Wirken des Drehimpulserhaltungssatzes in der Turbine
unveränderlich. Die Wirbelströmungen müssen sich
in die Hauptströmung einfügen, andererseits können sie
die für ihre Generierung erforderliche Energie aus
der potentiellen Energie des Überdrucks beziehen und
direkt in kinetische Energie wandeln. Analoge Vor
gänge finden in der Atmosphäre bei der Bildung von
Wirbelstürmen statt, die ebenfalls einen Teil der er
forderlichen Energie aus der potentiellen Energie der
Luft beziehen. In der Turbine und in einer strömungs
mechanisch noch vorbeschriebenen Gesichtspunkten de
finierten Überdruckzone werden die Wirbelströmungen
bis zu ihrer Endphase einem Energiewandlungsprozeß
unterworfen und raumfest stabilisiert. Dabei werden
die Wirbelströmungen so in die Drallströmung einge
leitet, daß sie eine möglichst flache Steigung haben.
Die entstehende Grenzschicht in der realen Strömung
bildet sich in der Zone des Wirbelkerns der Hauptströ
mung im Bereich der höchsten Umfangsgeschwindigkeit
und der sogenannten Festkörperdrehung der inneren
Strömung, welche durch die Induktion einer Zusatzge
schwindigkeit zugleich axial beschleunigt wird, so
daß die natürliche Schichtung der Strömungen auch die
Grenzschicht für die Wirbelströmungsschicht bildet.
Es resultiert eine, aus der Turbine austretende,
rotationssymmetrische, geschichtete Drallströmung
höherer Eigendynamik und höherer Stabilität.
Um diese Wirbelströmungsschicht zu erzeugen, werden
die Wirbelerzeuger sowie die Abströmspitzen der ver
schieden Erzeugerebenen der Turbine auf Teilkreisen
in Drehrichtung in gleichen Winkeln zur Ausströmöff
nung hin versetzt und durch die markierten Raumpunkte
die erforderlichen Anfangspunkte der Wirbelströmungen
festgelegt. Die induzierte Zusatzgeschwindigkeit be
wirkt die Erhöhung der Zirkulationen in der Turbine.
In dieser Strömungskonfiguration existieren kompli
zierte Energiewandlungsverhältnisse.
Die von der generierten Wirbelschicht abwärts indu
zierte Geschwindigkeit wird durch die Umkehrung der
Strömung auf der Grundplatte unmittelbar in eine
teilweise Beschleunigung der Drallströmung gewandelt.
Andererseits werden die Strömungsverhältnisse von dem
Unterdruck geprägt, welcher entweder direkt aus den
überströmenden Luftmassen oder durch den Unterdruck
eines Unterdruckkerns des darüber rotierenden Wirbels
entsteht.
Die Ausströmquerschnitte zwischen den Schaufeln der
Turbine bilden, bezogen auf den Unterdruck, die Grenz
flächen, an denen sich die parallele Drehströmung in
eine Drallströmung wandeln muß. Bis dahin sind die
strömungsmechanischen Widerstände gegeben.
Der vor der Turbine herrschende Überdruck wirkt auf
den Grenzflächen senkrecht, der Unterdruck über der
Abströmöffnung parallel dazu.
Auf die in diesem Bereich angeordneten Wirbelerzeuger
wirken beide Drücke direkt, d. h., auf die Anströmkanten
wirken Überdruck und Strömungsdruck senkrecht, während
der Unterdruck auf den Querschnitt der Wirbelfäden
senkrecht wirkt.
Wird an der Anströmkante Drehimpuls eingeleitet, findet
zugleich eine Bewegung des Wirbelfadens aufgrund des
wirkenden Unterdrucks statt, welche eine Translation ein
leitet. In dieser Startphase kann eine Wirbelströmung
noch nicht voll ausgebildet sein, sie wirkt aber örtlich
bereits massekonzentrierend, die Energiedichte je Fläche
wird erhöht. Die dafür zu leistende Arbeit wird der
Strömung in Gestalt der Überwindung eines Strömungswider
standes entzogen. Die derart generierten Wirbelfäden
stellen, durch die Wirbelerzeuger definierte Zirkulatio
nen her, welche qualitativ höhere Ordnungen der Energie
repräsentieren. Analog zur Elektrotechnik können sie wie
parallel geschaltete Induktivitäten aufgefaßt werden,
welche zum Wirkwiderstand der Strömung parallel geschal
tet werden. Der komplexe Widerstand muß sinken.
Diese Erhöhung der Zirkulationen führt zur Leistungs
steigerung der Turbine, bis sich ein stabiler Ström
ungszustand eingestellt hat.
Es resultieren wirtschaftliche und sichere Bau- und
Betriebsweisen.
Aufgrund des Energie- und Drehimpulserhaltungssatz
können hergestellte Zirkulationen nicht verschwinden,
sie bleiben als Produkt von Umfangsgeschwindigkeit
und Radius gleich oder dissipieren.
Erfindungsgemäß wird die vorbeschriebene Drallströ
mung durch einen Wärmetauscher geleitet und mit Tem
peraturen größer 300°C aufgeheizt. Der Wärmetauscher
ist in atmosphärischer Auftriebsrichtung offen, das
heißt, die aus dem Überdruck des Strömungsmoduls re
sultierende Translation und die Auftriebsrichtung
sollen übereinstimmen. Zur Erzeugung hoher Temperatu
ren wird solare Strahlungsenergie über die Strah
lung reflektierende Kegelklappen vom Einstrahlungs
bereich in den unteren Bereich der Strömungsmodule
geleitet. Die Kegelklappen bilden unter Strömungsdruck
hohlspiegelartige Reflektoren. Diese konzentrieren die
Strahlung zu einem mit der Turbine mitrotierenden
Wärmetauscher. Zur Verteilung der Strahlungsenergie
ist im Bereich des Wärmetauschers ein Bodenreflektor
angeordnet. Die Kegelklappen bestehen aus Flexiblen
Flächenelementen, welche teilweise transparent sein
können. Die Wärmetauscherflächen werden mit der Trans
lationsgeschwindigkeit der hergestellten Drallström
ung so umströmt, daß die Wirbelschicht und die Drall
strömung getrennt werden, die Wirbelschicht also in
Wandnähe innen durchströmt und aufgeheizt wird. Es re
sultiert eine Beschleunigung der Massenströme durch
Auftrieb, die Zirkulationen bleiben erhalten. Die
Steigung der Drallströmung wird insgesamt größer. Die
beschleunigte Drallströmung wird aufwärts wie ein
Freistrahl in das Windfeld überführt, durch die Auf
triebswirkung entsteht eine größere Axialgeschwindig
keit in den Strömungsmodulen.
Der in den Strömungsmodulen hergestellte Wirbel
verhindert einen Ausgleich der Auftriebsströmung durch
die Abströmöffnung. Auch eine auftretende Meridio
nalströmung wird durch den Bodenreflektor in Richtung
Wärmetauscher aufwärts umgelenkt. Der Ausgleich der
Auftriebsströmung kann deshalb nur über die Ausström
öffnung der Turbine erfolgen, welche praktisch evaku
iert wird. Auf diese Weise werden der Turbine über
die sie antreibende parallel Drehströmung Luftmassen
mit der Dichte der Umgebungsluft zugeführt. Es ent
steht in der Atmosphäre ein Strömungsfeld, welches den
Ausgleich der Auftriebsströmung bewirkt und durch den
anströmenden Wind geformt wird. Eine Überhitzung im
Inneren der Strömungsmodule wird durch die nachströmen
de Luft kleinerer Temperatur sicher vermieden.
Steht keine Windenergie zur Verfügung, steigt die er
hitzte Luft zunächst ohne Drall aufwärts.
Der Strömungsdruck schließt die Kegelklappen der Strö
mungsmodule.
Die aus der Turbine nachströmende Luft geringerer Tem
peratur initiiert im Strömungsmodul jedoch eine Dreh
strömung, deren Geschwindigkeit zur Turbine hin an
steigt. In einem zeitlich ablaufenden Prozeß entwic
kelt sich in den Strömungsmodulen über der Turbine
eine Drehströmung, deren Translation durch den Auf
trieb bestimmt ist. Der Ausgleich der Auftriebsström
ung erfolgt auch über die Abströmöffnung als Fallströ
mung, bis Windenergie einsetzbar ist. Auf diese Weise
kann eine Zerstörung des Wärmetauschers sowie der
Strömungsmodule vermieden werden. Mit einsetzender
Anströmung läuft die Anlage selbsttätig wieder an.
Der Einsatz dieses Verfahrens ist für Standorte geeig
net, welche ein höheres bzw. ein ausreichendes Ange
bot an solarer Einstrahlung aufweisen.
Zur Strahlungskonzentration können auch andere, an
sich bekannte optische Einrichtungen eingesetzt wer
den, wenn der Einsatz das wirtschaftliche Betreiben
der Anlagen gestattet.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird
aus ein oder mehreren Strömungsmodulen gebildet,
welche zylinderförmig angeordnete Klappen aufweisen,
die von, mindestens eine Ausströmöffnung besitzenden
Platten abgedeckt sind. Werden in Strömungsrichtung
mehrere Strömungsmodule übereinandergestapelt, sind
die Ausströmöffnungen strömungsmechanisch determi
niert in ihren Größen variiert.
Bei Windenergienutzung sind die Strömungsrichtungen
wählbar, in Kombination mit Auftriebsnutzung atmosphä
risch bedingt. Mittig im, in Strömungsrichtung ersten
Strömungsmodul ist eine kammerartig beschaufelte Tur
bine zwischen den abdeckenden Platten angeordnet. Sie
dichtet den Strömungsraum so ab, daß eine parallele
Drehströmung nur durch die Turbine zu einer Ausström
öffnung bei gleichzeitiger Übertragung von Energie aus
dem Fluid auf die Schaufeln strömen kann. Die resul
tierende Volumenvergrößerung eines Gases wird durch
Zirkulationen und Geschwindigkeitskonzentrationen mit
tels einer Vielzahl, an den Innenkreisen von die
Schaufeln tragenden Trägerringen, im Bereich der kam
merartigen, inneren Ausströmöffnungen
angeordneter Wirbelerzeuger ganz oder teilweise elemi
niert. Die Strömung aus dem Inneren der Turbine kann
durch die Ausströmöffnung direkt in die Atmosphäre ab
fließen oder weitere Strömungsmodule durchfließen und
dann im Windfeld abtransportiert werden.
Zur Erzeugung von Elektroenergie ist die Turbine zweck
mäßig direkt auf einer Generatorwelle angeordnet,
wobei ein Trägerring, oder mehrere, als Kupplung aus
gebildet sind. Die Turbinenschaufeln sind aus flexib
len, federelastisch wirkenden, strömungsformbaren Flä
chenelementen gebildet. Für den Generatorbetrieb ent
steht der Vorteil einer sicheren Abwärmeabführung, was
vor allem im Überlastbetrieb vorteilhaft ist.
Wird zur Leistungserhöhung der Turbine ein zweites
Strömungsmodul über dem Ersten angeordnet, kann die ein
fachste Form in einem Strömungsmodul mit nach außen
öffnenden Klappen bestehen. Die Ausströmöffnung
dieses Strömungsmoduls entspricht dem Durchmesser, so
daß ein erzeugter Wirbel ungehindert abströmen kann.
In diesem Fall wird nur der sich bildende Unterdruck
kern für die Transportbeschleunigung der aus der Tur
bine austretenden Drallströmung genutzt. Zwei Strömungs
module werden zur Nutzung solarer Strahlungsenergie
angeordnet, welche im unteren Strömungsmodul nach oben
sowie im oberen Strömungsmodul nach unten öffnende Ke
gelklappen aufweisen. Die Kegelklappen sind innen mit
einer reflektierenden Schicht versehen, so daß sich er
findungsgemäß eine neue Funktion der flexiblen Kegel
klappen zur Konzentration von Strahlungsenergie ein
stellt. Die Strahlungsenergie wird zu einem, über einer
Ausströmöffnung der Turbine angeordnetem, mit der Tur
bine mitrotierendem Wärmetauscher geleitet. Der rotie
rende Wärmetauscher ist von einem festen, kegeligem
Bodenreflektor umgeben, so daß die eingestrahlte Wär
me hohe Temperaturen erzeugt und durch Wärmeleitung
sowie -strahlung auf dem Wärmetauscher verteilt wird.
Beide, mit flexiblen Kegelklappen versehene Strö
mungsmodule sollen dabei so in ihren Durchmesser-Höhen-
Verhältnissen ausgebildet sein, daß sich insgesamt eine
natürliche Wirbellänge einstellen kann, die etwa einem
Verhältnis eins zu vier praktisch folgt. Der theoreti
sche Wert ist mit eins zu sechs bei analogen Anwendun
gen bekannt und soll bei allen Wirbelerzeugern einge
halten werden.
Das Geschwindigkeitsfeld eines Potentialwirbels folgt
der Beziehung va * ra = vi * ri mit v als äußerer und
innerer Umfangsgeschwindigkeit und r als dazugehörige
Radien. Eine Vergrößerung des Radius der Strö
mungsmodule bewirkt in einfacher Weise eine Anpassung
an Schwachwindgebiete. Bei Strömungsmodulen mit nach
innen öffnenden Klappen tritt durch die Staudruckerzeugung
eine Verminderung der äußeren Umfangsgeschwindigkeit
gegenüber der Anströmgeschwindigkeit unter den halben
Wert ein, bei nach außen öffnenden Klappen entspricht
die Umfangsgeschwindigkeit im Strömungsmodul etwa der
Anströmgeschwindigkeit. Alle für den Abtransport der
energetisch genutzten Massenströme eingesetzten Ström
ungsmodule werden zweckmäßig mit nach außen öffnenden
Klappen ausgeführt.
Zur weiteren Erhöhung der Turbinenleistung können vor
den öffnenden Klappen von Strömungsmodulen
staudruckverteilende Wirbelerzeuger mit hyperbolisch
oder spiralförmig öffnenden Zylindern angeordnet sein.
Sie sind über 180°C drehbar und stellen sich entspre
chend den wechselnden Anströmrichtungen selbstständig
senkrecht zur Strömung ein. Damit wird über dem Kreis
bogen die Strömung gleichmäßiger ausgenutzt, die Wir
belgenerierung erfolgt über Anströmkanten. Über der
Drehachse befinden sich Geschwindigkeitskonzentra
toren, welche über die Radiusverringerung die Zirkula
tionen unter Staudruck umformen. Durch eine Ausström
öffnung je Wirbelerzeuger fließen die generierten Wir
belströmungen durch rohrartige Leiteinrichtungen
direkt in den Wirbelkern des Wirbels. Ausströmöffnun
gen dieser Leiteinrichtungen markieren Raumpunkte in
verschiedenen Ebenen des Strömungsmoduls auf drehach
senparallelen Linien, die eine immer dichtere Pack
der auf spiralförmigen Bahnen angeordneten Wirbelströ
mungen herstellen. Sowohl in der Turbine als auch in
Strömungsmodulen werden Wirbelströmungen nach maschi
nenbautechnischen Prämissen auf Raumpunkten zum Ab
fließen in die Hauptströmung festgelegt und strömungs
mechanisch nutzbar gemacht. Es entstehen geschichtete
Strömungen mit mehreren koaxialen Wirbelschichten, die
zur Ausströmöffnung der Einrichtung hin immer größere
Durchmesser aufweisen. Die Induktion einer mittigen
axialen Zusatzgeschwindigkeit bewirkt eine Beschleu
nigung der jeweils inneren Wirbelschichten als Ganzes.
Durch die erfindungsgemäßen Einrichtungen werden gegen
über der anströmenden Parallelströmung höhere Ordnun
gen der kinetischen Energie hergestellt und nutzbar
gemacht.
Bei allen Ausführungsformen der Strömungsmodule ist
Aufhängung der flexiblen Flächen, vorzugsweise aus
hochreißfestem Kettengewirk, gleichartig ausgebildet
Drehpunkte werden durch in Rohrenden gelagerten Zugfe
dern gebildet. Die Einströmöffnungen sind ebenfalls
durch Zugfedern bestimmt, die über einen Schwenkpunkt
ein leichtes Schließen der Klappen ermöglichen.
Auf Standorten mit hoher Solarenergieeinstrahlung kann
die erfindungsgemäße Einrichtung so ausgelegt sein,
daß ein konzentrierter Auftriebsstrom die strömungs
mechanischen Vorgänge induziert. Für diesen Anwendungs
bereich sind nur die nach innen öffnenden Klappen des
unteren Strömungsmoduls geöffnet, indem sich die Tur
bine befindet. Die darüber angeordneten Strömungsmo
dule halten die Klappen geschlossen, bis eine ausnutz
bare Anströmgeschwindigkeit auftritt.
Die erfindungsgemäßen Einrichtungen können stationär
oder mobil, zum Beispiel auf Schiffen, eingesetzt wer
den. Bei mobilem Einsatz ist die durch Fahrtwind ent
stehende Anströmgeschwindigkeit sekundär nutzbar. Die
Ausnutzung der für die Bewegung erforderlichen Primär
energie wird erhöht. Die erfindungsgemäßen Strömungs
module können einzeln auf vorhandenen Hochbauten auf ge
setzt oder zu turmartigen Bauwerken kombiniert werden.
Die Ausnutzungsmöglichkeiten regenerativer Energien
werden erweitert.
Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der erfindungs
gemäßen Einrichtungen auf Industriedächern in Gruppen.
Mehrere Einrichtungen werden so aufgestellt, daß sie
gegenseitig als staudruckbildende Einrichtungen wirken.
Die Parallelströmung, beispielsweise anströmender
Wind, wird durch die äußeren Einrichtungen zu den im
inneren Bereich angeordneten Einrichtungen geleitet.
Auf diese Weise können bisher wirtschaftlich nicht
genutzten aber vorhandene Flächen einer wirtschaft
lichen Nutzung zugeführt werden. Umweltbelastungen
werden sicher vermieden, da keine weitere Versiege
lung von Bodenflächen eintritt. Hierbei wirkt die
Eigenschaft der erfindungsgemäßen Strömungsmodulen
bei höheren Anströmgeschwindigkeiten sinkende Kipp
momente zu erzeugen, besonders positiv. Die Erhöhung
des Staudrucks vor den Einrichtungen führt zu größe
ren Leistungen der Turbine, ohne daß die Tragwerke
größere Kräfte in die Verankerungen zu übertragen
haben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Dächer
von Industriehallen in den meisten Fällen frei über
strömbar und damit ohne zusätzliche Baumaßnahmen
nutzbar sind. Die räumliche Anordnung auf den Dächern
kann auch unter Gesichtspunkten des Landschafts- oder
Ortsbildes festgelegt werden, strömungsmechanisch ist
die Anordnung auf konzentrischen Kreisen optimal.
Die bei freifahrenden Turbinen zu beobachtende Ab
senkung der Windgeschwindigkeit hinter der Anlage
konnte bei den erfindungsgemäßen Strömungsmodulen
nicht festgestellt werden. Aufgrund der zylindrischen
Bauform stellt sich hinter den Strömungsmodulen sehr
schnell wieder die normale Windgeschwindigkelt ein,
die aus der Einrichtungen austretenden Wirbelström
ungen wurden ohne Störungen der Parallelströmung im
Windfeld abgeführt und offensichtlich im Zusammen
hang mit der Karmanschen Wirbelstraße hinter den
Strömungsmodulen verteilt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich
nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be
schreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausfüh
rungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung in einer schematischen
Darstellung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein weite
res Ausführungsbeispiel der vorlie
genden Erfindung mit zwei Strömungs
modulen,
Fig. 3 einen Querschnitt nach den Schnitt
linien A-A nach Fig. 1,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch zwei Ström
ungsmodule einer erfindungsgemäßen
Einrichtung zur Erhöhung der Turbi
nenleistung in schematischer
Darstellung,
Fig. 5 einen Querschnitt nach den Schnitt
linien B-B nach Fig. 4,
Fig. 6 einen unterbrochenen Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
durch drei Strömungsmodule als wei
teres Ausführungsbeispiel in schema
tischer Darstellung.
In Fig. 1 und Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbei
spiel der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt.
Ein rotationssymmetrisches Strömungsmodul 2 kann auf
beliebigen, nicht dargestellten Tragwerken angeordnet
sein. Mittig im Strömungsmodul 2 ist eine kammerar
tige Turbine 3 angeordnet, wobei die kammerartige
Struktur durch Trägerringe 4; 7 gebildet wird, zwischen
denen Schaufeln 10 angeordnet sind. Der Trägerring 7
ist mit Speichen 9 an einer Generatorwelle 8 befestigt
und mit den Trägerringen 4 über nicht näher darge
stellte Distanzstücke 5 und in den Distanzstücken 5
angeordneten Verbindungselementen 6 elastisch lösbar
verbunden. Es wurde gefunden, daß eine im Wirbelkern
eines Potentialwirbels laufende Turbine 3 durch den
Wirbel einer Selbstzentrierung unterworfen wird, so
daß alle Turbinenteile bezogen auf den Trägerring 7
elastisch beweglich angeordnet werden können. Damit
können erfindungsgemäße Turbinen 3 am Einsatzort mon
tiert werden. Lagerung, Transport und Montage eines
erfindungsgemäßen Strömungsmoduls sind wirtschaftlich
durchführbar. Der notwendige Einsatz von Hebezeugen
ist so reduziert, daß dazu das nicht dargestellte
Tragwerk benutzt werden kann. Eine Grundplatte 36
sowie eine Deckplatte 37 werden aus vorgefertigten
Segmenten montiert und im Tragwerk eingehangen. Diese
Montagebauweise resultiert aus der Eigenschaft des
Strömungsmoduls 2, durch die Generierung von Wirbel
strömungen in der Turbine 3 mit steigenden Anström
geschwindigkeiten am Strömungsmodul 2 kleiner werden
de Kippmomente zu erzeugen. Der Bauaufwand kann auf
das Notwendige reduziert werden. Die Klappen 1 können
aus flexiblen, federelastisch aufgehängten Flächen,
zum Beispiel aus sogenannten Kettengewirk, herge
stellt werden. Sie können sich den äußeren und inne
ren Druckverhältnissen anpassen und eine entsprechen
de Form in der Strömung annehmen. Insbesondere werden
auf der Anströmseite senkrecht zur Strömung einge
stellte Flächen gebildete welche Staudruck erzeugen
und den Energiewandlungsbereich vergrößern.
Die gleichen Kettengewirke werden zur Herstellung
der Beschaufelung der Turbine 3 eingesetzt. Es ent
steht erfindungsgemäß die Wirkung, daß die Schaufeln
10 als vorgefertigte Flächenelemente transportiert
und während der Montage des Strömungsmoduls 2 sowie
der Turbine 3 zwischen den Distanzstücken befestigt
werden und sofort, ohne weitere Nacharbeiten, inbe
triebnahmefähig sind. Parallel zu der Bestückung
mit Schaufeln 10 werden auf den Innenkreisen der
Trägerringe 4; 7 zwischen den Schaufeln 10 Wirbeler
zeuger 11 montiert, welche Abströmspitzen 12 aufwei
sen, die über nicht dargestellte Konzentratorräume
den Radius der Wirbelerzeuger 11 zur Abströmspitze
hin strömungsmechanisch wirksam verkleinern und Ge
schwindigkeitskonzentrationen der generierten Wirbel
strömungen bewirken. Die Abströmspitzen 12 werden
dabei in einer Vorrichtung montiert, so daß sie
nach Montageende Raumpunkte 20 markieren,
welche auf drehachsenparallelen Linien in Drehrich
tung zur Ausströmöffnung 25 hin je Trägerring 4; 7
in gleichgroßen Winkeln auf einem Teilkreis gegen
einander versetzt sind. Die Winkelgröße wird durch
Schaufelanzahl sowie Trägerringanzahl bestimmt.
Die Turbine 3 ragt im montierten Zustand in die
Ausströmöffnung 25 des Strömungsmoduls 2 hinein.
Dadurch werden in einfachster Weise Dichtungsfunk
tionen sowie Ausgleichsfunktionen bei Längenausdeh
nung der Turbine realisiert. Erforderlichenfalls
kann auch eine zusätzliche Lagerung der Turbine 3 in
Deckplatte 37 erfolgen, wenn es für größere Anlagen
maschinenbautechnisch erforderlich ist.
Wird das Strömungsmodul 2 angeströmt, bildet sich an
den Klappen 1 durch Staudruck im Inneren eine paral
lele Drehströmung, ein Potentialwirbel mit nach innen
ansteigender Umfangsgeschwindigkeit heraus. Die Tur
bine 3 wird gleichmäßig im Wirbelkern angeströmt, der
Energiefluß erfolgt radial, die Energie wird im Po
tentialwirbel verlustfrei transportiert.
Im Strömungsmodul 2 bildet sich ein Überdruck aus.
Die Schaufeln 10 der Turbine 3 werden gleichzeitig
und gleichförmig angeströmt. Die Drehströmung wird
durch die kammerartige Struktur in eine Vielzahl von
Massenströmen geteilt, deren Dichte größer ist als
die Dichte der einströmenden Massenströme an den Klap
pen 1. Nach Durchströmung der Schaufelbereiche werden
die Massenströme in laminar weiterfließende und in
örtliche Zirkulationen an den Wirbelerzeugern 11 ge
teilt. Die Wirbelerzeuger bewirken die Generierung von
Wirbelfäden, wobei die Zirkulationen der Wirbelerzeu
ger 11 in nicht dargestellten Konzentratorräumen strö
mungsmechanisch wirksam geschwindigkeitskonzentriert
werden. Diese Wirbelfäden erhalten eine Translation
sowohl aus dem Druckpotential als auch durch die Um
fangsgeschwindigkeit der inneren Drallströmung. Mecha
nisch durch die Raumpunkte und strömungsmechanisch
durch die Drallströmung als Zwangsströmung werden die
Wirbelfäden zur Ausströmöffnung 25 hin in eine immer
dichter werdenden Packlage angeordnet. Sie verhalten
sich wie biegsame Leitermodelle, solange sie in einem
abgegrenzten Raum einer Zwangsströmung unter Überdruck
ausgesetzt sind. In der Darstellung nach Fig. 1 und
Fig. 3 fließt die Drallströmung direkt in das Windfeld
ab. Die Wirkungen der generierten Wirbelfäden bestehen
in der Herabsetzung der Relativgeschwindigkeit, die im
Inneren der Turbine 3 aufgrund der Kontinuitätsbedin
gung zwischen den Schaufeln eintreten muß. Die Massen
ströme weisen eine Relativgeschwindigkeit und überla
gerte bzw. eingelagerte Zirkulationen auf, welche zu
gleich Massenkonzentrationen bewirken. Der innere
Durchströmwiderstand der Turbine wird herabgesetzt, der
durchsetzbare Massenstrom erhöht.
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann zur weiteren Leist
ungserhöhung ein Strömungsmodul 15 über dem Strömungs
modul 2 angeordnet werden. Ein nicht hergestelltes
Tragwerk nimmt die Deckplatte 38 auf. Klappen 1 sind,
wie vorbeschrieben zwischen den Platten 37 und 38
angeordnet. Werden beide Strömungsmodule 2; 15 ange
strömt, bildet sich im unteren Strömungsmodul 2 eine
parallele Drehströmung unter Überdruck und im oberen
Strömungsmodul 15 ein nach oben offener Wirbel mit
einem typischen Unterdruckkern heraus. Die axiale
Komponente der Umfangsgeschwindigkeit wirkt auf
die Ausströmöffnung 25 der Turbine 3, so daß ein höhe
rer Massenstrom durch die Turbine 3 gezogen wird.
Die sekundäre Induktion einer Zusatzgeschwindigkeit
durch die in der Turbine 3 generierten Wirbelström
ungen bleibt länger aufrechterhalten. Das heißt, daß
die wirksame Länge der hergestellten Wirbelspule einen
höheren Induktionseffekt bewirkt. Die in der Turbine 3
generierten Wirbelströmungen sind im Wirbelkern
des Strömungsmoduls 15 eingelagert. Der Wirbelkern
stellt die Grenzschicht zwischen höchster Umfangsge
schwindigkeit und sogenannter Festkörperdrehung
im Wirbel dar, wobei die Umfangsgeschwindigkeit in der
Festkörperdrehung zur Mitte hin gegen Null geht.
Gleichzeitig bildet sich hier die Grenzschicht
zwischen dem Unterdruckkern und der unter Überdruck
rotierenden Massen aus, so daß die Wirbelströmungen
aus der Turbine 3 in Wandnähe dieser Grenzschicht ver
laufen müssen, da ihnen der Radius ihrer Umfangsbahn
durch die Turbine 3 aufgeprägt wurde und sie in Wand
nähe definiertes Verhalten zeigen. Da Wirbelströmungen
solange stabil sind, solange der Innendruck in der
Wirbelröhre vorhanden ist und abfallen kann, aus der
Turbine 3 aber die Wirbelströmungen unter Überdruck
aufrechterhalten werden, sind alle Bedingungen für ein
stabiles Fließen gegeben.
Wie in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt, kann eine weite
re Leitungssteigerung der Turbine 3 durch einen größeren
Massenstrom erreicht werden, welcher durch eine
Erhöhung des axialen Volumenstromes in Strömungsmodul
15 oder, anders dargestellt, durch eine Vergrößerung
des Unterdruckes - dp im Unterdruckkern des Wirbels
sowie gleichzeitiger Erhöhung des Staudrucks am
Strömungsmodul 2 durch Anordnung von Wirbelerzeugern
16, welche gleichzeitig eine Staudruckerhöhung am
Strömungsmodul 2 durch veränderte Anströmverhältnisse
bewirken, erreicht werden.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ragen die Wirbelerzeuger
16 über die Deckplatte 37 hinaus. Sie sind vor den
Klappen 1 des Strömungsmoduls 2 angeordnet. Es resul
tiert eine Vergrößerung der wirksamen Anströmfläche
des Strömungsmoduls 2, wobei eine Eichfläche für einen
Vergleich mit projizierten Anströmflächen bekannter
Windenergieanlagen noch nicht angegeben werden kann.
Das power spektra, also das anströmende Energiefeld,
wird in verschiedene Massenströme bereits vor dem
Strömungsmodul 2 aufgeteilt, indem sich ungleiche
Rückwirkungen der nunmehr am Strömungsmodul 2 entsteh
enden Staudruckgebiete ergeben. Zwischen den Wirbel
erzeugern 16 durchströmende Massenströme erzeugen an
den Klappen 1 höhere Staudrücke durch die veränderten
Strömungsverhältnisse.
Daraus resultiert ein größeres Druckpotential im Inne
ren Strömungsmoduls 2, die Anfangsgeschwindigkeit des
Potentialwirbels an den äußeren Klappen steigt an, wo
durch sich die Umfangsgeschwindigkeit des Wirbels an
der Turbine 3 erhöht und eine größere Turbinendrehzahl
erreicht wird.
Die Wirbelerzeuger 16 sind über 180° drehbar angeord
net, so, daß sie sich mit nicht dargestellten Wind
nachführungen immer senkrecht zur Anströmung einstel
len. Die Anströmkanten 19 werden damit immer senk
recht angeströmt und leiten Drehimpuls in die Ström
ung ein. Sie enden in Abströmspitzen 12, deren nach
innen gebogene Spitzen den zu einem Wirbelfaden gene
rierten Drehimpuls strömungsmechanisch in den Mittel
punkt der offenen Ausströmöffnung 17 leiten. Die äußere
Form der Wirbelerzeuger 16 ist zweckmäßig eine
hyperbolische Form, da diese den herzustellenden Wir
belströmungen natürlicherweise entspricht, was hier
nicht näher erläutert werden muß.
Im Inneren der Wirbelerzeuger 16 herrscht der aus der
Anströmgeschwindigkeit resultierende Strömungsdruck
mit einer axialen Komponente, welche eine Translation
der Wirbelfäden in die Ausströmöffnungen 17 hinein be
wirken, da an den Raumpunkten 20, welche gleichzeitig
die Ausströmöffnungen der Rohre 18 markieren, durch
den im Strömungsmodul 15 erzeugten Wirbel ein Unter
druck als Richtpotential für die Wirbelfäden wirkt,
welches aufgrund der größeren Umfangsgeschwindigkei
ten im Wirbelkern ausnutzbar ist. Strömungsdruck in
Wirbelerzeugern 16 und Unterdruck in Raumpunkten 20
wirken gleichgerichtet auf die Zirkulationen, welche so
in die Ausströmöffnungen 17 hineingezogen und auf
grund der Radienverkleinerungen geschwindigkeitskon
zentriert werden. Die hergestellten Zirkulationen müs
sen nach den Helmholzschen Wirbelsätzen gleich blei
ben, was ebenfalls nicht weiter erläutert werden soll.
Die Zirkulationen sind die wesentlichen Größen für
die Berechnung einer Zusatzgeschwindigkeit in einer
Wirbelspule, wobei für die erfindungsgemäßen Verfah
ren und Einrichtungen bisher keinerlei Berechnungs
vorschriften existieren. Die Funktionsfähigkeit wur
de empirisch gefunden.
Die Rohre 18 sind umlaufend tangential und mit einer
Steigung versehen angeordnet. Die Raumpunkte 20 mar
kieren strömungsmechanisch die Einlaufkurve der Wir
belströmungen in die Hauptströmung, insbesondere in
Wandnähe des Wirbelkerns. Da die Ausbildung des Un
terdruckkerns von der Umfangsgeschwindigkeit und da
mit von der Anströmgeschwindigkeit direkt abhängig
ist, wird für die Einleitung ein mittlerer Bereich
gewählt, der einem aus Experimenten bekannten Wert
für die räumliche Ausbildung eines Wirbelkerns mit
etwa 0.65 Radius folgt. Damit kann sicher gestellt
werden, daß die Wirbelströmungen bei hohen Anström
geschwindigkeiten und voll ausgebildetem Unterdruck
kern in Wandnähe aufsteigend verlaufen. Raumpunkte
20 können auch in verschiedenen Ebenen angeordnet
werden, wenn mehrere Ebenen von Wirbelerzeugern 16
vorgesehen werden.
Erfindungsgemäß entsteht die Wirkung, daß bei gleicher
Baugröße der Turbine 3 eine Drehzahlerhöhung und damit
eine Leistungssteigerung erreicht werden.
Die Drehzahlerhöhung der Turbine 3 resultiert aus der
höheren Umfangsgeschwindigkeit der parallelen Dreh
strömung im Strömungsmoduls 2. Diese wird durch die im
Strömungsmodul 15 wirkenden Wirbelströmungen der im
Strömungsmodul 2 vor den Klappen 1 angeordneten Wir
belerzeuger 16 mittels der induzierten Zusatzgeschwin
digkeit und durch den höheren Überdruck im Strömungs
modul 2 erreicht. Die konstruktiven Variationsmöglich
keiten einer erfindungsgemäßen Einrichtung gewährlei
sten eine Anpassungsmöglichkeit für eine Vielzahl von
Anwendungsfällen. Die Anordnung von Gruppen dieser
Einrichtungen, zum Beispiel auf Industriehallendächern
in konzentrischen Kreisen, bewirkt eine weitere Leist
ungszunahme durch die nunmehr in der Gruppe veränder
ten Staudruckerzeugungen mittels Beeinflussung der
anströmenden Massenströme, wobei deren Anströmrichtun
gen beliebig bleiben. Auf diese Weise können große,
vorhandene und meist frei überströmbare Flächen wirt
schaftlich genutzt werden. Umweltbelastungen sind dabei
mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit auszu
schließen. Lebende Arten meiden die erfindungsgemäßen
Einrichtungen, weil die innen erkennbare Drehström
ung sie für Nistplätze ungeeignet macht. Insekten wer
den aufgrund der zyklonischen Wirkung von der Drehströ
mung wieder nach außen abgedrängt. Hier dürften auch
die von den lebenden Arten wahrnehmbaren Massenkonzen
trationen in den Wirbelströmungen eine Schutzfunktion
ausüben, die aber noch nicht exakt nachweisbar ist.
Es wurde gefunden, daß die Generierung raumfester Wir
belströmungen offensichtlich ein von der Zeit
und den äußeren Bedingungen, unter denen Drehimpuls
in eine Strömung eingeleitet werden sowie von der da
für einsetzbaren Energie abhängiger Prozeß ist.
Stabil aufrechterhaltene Wirbelfäden schaffen sich in
der sie umgebenden Strömung ihre endgültigen Existens
räume, wenn sie genügend Energie in kinetische Energie
ihres Wirbelkerns wandeln können.
Dieser Vorgang muß abgeschlossen sein, bevor eine Nut
zung für die Induktion einer Zusatzgeschwindigkeit er
folgen kann, ein analoger Vorgang findet in der Natur
bei der Ausbildung zyklonischer Wirbelstürme statt, die
für ihre Existenz notwendigen Energien teilweise aus
der potentiellen Energie der Luft beziehen. Drehström
ungen können unter bestimmten Bedingungen potentielle
Energie direkt in kinetische Energie wandeln. In der
erfindungsgemäßen Einrichtung werden diese natürlichen
Prozesse unter definierten Bedingungen technisch nach
gebildet. In der Startphase wird Drehimpuls an den
Anströmkannten 19 der Wirbelerzeuger 16 eingeleitet,
in den Wirbelerzeugern 15 werden Zirkulationen herge
stellt, deren Umfangsgeschwindigkeit durch die An
strömgeschwindigkeit bedingt ist. Von der Abström
spitze 12 fließt, durch den Anströmdruck in Richtung
Unterdruck des Raumpunktes 20 getrieben und durch die
Form der Abströmspitze 12 geleitet, ein Wirbelfaden
durch Ausströmöffnungen 17 in ein Rohr 18. Der im un
teren Teil der Wirbelerzeuger 16 angeordnete schräge
Boden bewirkt eine wellenförmige Transla
tion der herzustellenden Wirbelströmungen.
Mit Einfließen in den geraden Teil der Rohre
18 wirkt der Unterdruck hinter den Raumpunkten 20
direkt auf den Wirbelquerschnitt und die Drehströmung
auf die Mantelfläche der ausströmenden, in den Aus
strömöffnungen 17 bereits geschwindigkeitskonzentrier
ten Wirbelströmungen. Die resultierende Beschleuni
gung der Translation der Wirbelströmungen bewirken
Querschnittsverringerungen durch Zusammenziehen
der rotierenden Massen, es werden raumfeste Wirbel
strömungen hergestellt und auf vorgegebenen Fließ
strecken angeordnet.
Auf diese Weise wird der in den Wirbelerzeugern 15
entstehende Staudruck über die Rohre 18 wirksam.
Innerhalb der Turbine 3 vollziehen sich analoge Vor
gänge. Die von den Wirbelerzeugern 11 eingeleiteten
Drehimpulse werden zu Wirbelfäden geformt und diese
fließen über die Abströmspitzen 12 in die innere
Drallströmung der Turbine 3, in welcher ein Überdruck
herrscht. Es steht potentielle Energie zur Verfügung,
welche in kinetische Energie der herzustellenden Wir
belströmungen teilweise wandelbar ist. Gleichzeitig
wirken die Zirkulationen durch die Massenkonzentra
tionen der Volumenvergrößerung der Luft bei Abbrem
sung innerhalb der Turbine entgegen.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform einer er
findungsgemäßen Einrichtung zur Nutzung von solarer
Strahlungsenergie dargestellt. Die vorbeschriebenen
Wirbelströmungen werden durch Aufheizen an einem Wär
metauscher 29 mittels Auftrieb beschleunigt. Dazu ist
die Erzeugung hoher Temperaturunterschiede notwendig.
Es werden Windenergie und solare Strahlungsenergie
in Kombination nutzbar. An einem Tragwerk 32 sind
Zwischenplatten 34; 37 sowie eine Deckplatte 38 ange
ordnet. Die Zwischenplatte 34 ist mit einer großen
Durchströmöffnung 33 versehen. An den Zwischenplatten
34; 37 sind Kegelklappen 28 angeordnet. Die Kegelklap
pen 28 sind als flexible, federelastisch wirkende,
innen Strahlung reflektierende Flächenelemente ausge
bildet, welche einen nach oben öffnenden Kegelstumpf
herstellen. Der Öffnungswinkel ergibt sich aus den
Baugrößen sowie den erforderlichen Konzentrationen
der eingeleiteten Strahlung. Über der Zwischenplatte
34 sind nach oben, zur Deckplatte 38 hin, schließen
de Kegelklappen 31 angeordnet, deren kleinster Durch
messer von der Abströmöffnung 24 bestimmt ist. Die
Kegelklappen 31 sind gleichartig wie die Kegelklappen
28 ausgebildet.
Der Öffnungswinkel der Kegelklappen 31 nach unten
wird durch die Einstrahlungsfläche bestimmt. Das kann
die Abströmöffnung 24 sein. Es ist aber auch möglich,
entsprechend den Standortbedingungen auf der Einstrah
lungsseite einen Teil der Kegelklappen 31 transparent
auszuführen, so daß ein größerer Einstrahlungsquer
schnitt gebildet wird. Durch die Windenergienutzung
entsteht die erfindungsgemäße Wirkung, daß die trans
parent ausgeführten sowie die innen mit reflektieren
den Schichten versehenen Kegelklappen 31 im prakti
schen Betrieb durch die aus der Windenergie herge
stellten Drehströmungen sauber gehalten werden. Staub
sowie andere Verschmutzungen können sich nicht abset
zen. Damit wird der Betreiberaufwand klein gehalten.
Der Wirkungsgrad der Solarenergienutzung sinkt während
der Betriebszeit nicht ab.
Entsprechend der gewählten Einstrahlungsflächen
können, bezogen auf die Fläche des Wärmetauschers 29,
Konzentrationsfaktoren größer 3 erreicht werden, wo
raus entsprechend hohe Temperaturen resultieren. Um
diese am Wärmetauscher 29 zu erzeugen, ist auf der
Zwischenplatte 37 ein kegeliger Bodenreflektor ange
ordnet. Werden die Strömungsmodule 2; 26; 30 angeströmt,
so öffnen die im Anströmbereich liegenden Klappen 2
sowie die Kegelklappen 28 und 31. Im Strömungsmodul 2
wird Überdruck ausgebildet und eine parallele Dreh
strömung hergestellt, welche in vorbeschriebener
Weise die Turbine 3 antreibt und Wirbelströmungen er
zeugt. Im Strömungsmodul 26 und im Strömungsmodul 30
wird ein Wirbel hergestellt, der mit seinem Unter
druckkern in den Wärmetauscher 29 hineinwirkt. Unter
druck und Auftrieb aus Wärmeeinleitung wirken in
gleicher Richtung, wobei die Auftriebsnutzung nur in
der axialen Strömung des Wirbels erfolgt. Die rotie
renden Luftmassen schließen diese Strömung ein, so
daß ein Wärmeübergang nur im Wirbelkern erfolgen kann.
Im Wesentlichen werden die aus der Turbine 3 strömen
den Massen erhitzt und durch Auftriebswirkung
beschleunigt abtransportiert. Der mit der Turbine 3
mitrotierende Wärmetauscher 29 sowie der kegelige Bo
denreflektor 27 bewirken außerdem eine Abgrenzung der
Ausströmöffnung 25 derart, daß eine Meridionalströ
mung abgelenkt und in Richtung Wärmetauscher 29 auf
wärts geführt wird. Die Auftriebswirkung richtet sich
auf die Ausströmfläche 25 der Turbine 3, wodurch ein
größerer Massestrom aus der Turbine 3 gezogen wird,
welcher die Umfangsgeschwindigkeit der parallelen
Drehströmung im Strömungsmodul 2 und damit die Tur
binenleistung erhöht. Bei fehlender Anströmung kann
durch die konzentrierte Wärmeeinleitung eine Dreh
strömung im Strömungsmodul 2 entstehen.
Eine weitere, nicht dargestellte Form der Einrichtung
besteht in einer Kombination der Strömungsmodule 2;
26; 30 mit einer Anordnung von Wirbelerzeugern 16 und
Rohren 18 nach Fig. 5, wodurch eine weitere Leistungs
steigerung erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß besteht die Wirkung der Kegelklappen
28; 31 zur Strahlungskonzentration noch darin, daß die
flexiblen Flächenelemente unter Strömungsdruck sich
der Strömung anpassen und dabei hohlspiegelartige
Reflektionsflächen ausbilden. Das betrifft sowohl die
Längsachse als auch der Querachse der Flächenelemente.
Die in Fig. 6 im Ruhezustand dargestellten Kegelklap
pen 28; 31 verändern durch Strömungsdruck ihre Form
und ihre Lage in Abhängigkeit von der Anströmrichtung,
die aber beliebig bleibt. Mittels der sich ausbilden
den, hohlspiegelartigen Reflektorformen sind größere
Konzentrationsfaktoren solarer Strahlungsenergie
erreichbar, wobei die Reflektorflächen der Kegelklap
pen 28; 31 durch die Drehströmung gekühlt werden.
Bezugszeichenliste
1 Klappen
2 Strömungsmodul
3 Turbine
4 Trägerringe
5 Distanzstücke
6 Verbindungselemente
7 Trägerring
8 Generatorwelle
9 Speichen
10 Schaufeln
11 Wirbelerzeuger
12 Abströmspitzen
13
14
15 Strömungsmodul
16 Wirbelerzeuger
17 Ausströmöffnungen
18 Rohre
19 Ausströmöffnungen
20 Raumpunkte
21
22 Ausströmöffnung
23 Schlauchwirbelerzeuger
24 Abströmöffnung
25 Ausströmöffnung
26 Strömungsmodul
27 Bodenreflektor
28 Kegelklappen
29 Wärmetauscher
30 Strömungsmodul
31 Kegelklappen
32 Tragwerk
33 Durchströmöffnung
34 Zwischenplatte
36 Grundplatte
37 Zwischenplatte
38 Deckplatte
2 Strömungsmodul
3 Turbine
4 Trägerringe
5 Distanzstücke
6 Verbindungselemente
7 Trägerring
8 Generatorwelle
9 Speichen
10 Schaufeln
11 Wirbelerzeuger
12 Abströmspitzen
13
14
15 Strömungsmodul
16 Wirbelerzeuger
17 Ausströmöffnungen
18 Rohre
19 Ausströmöffnungen
20 Raumpunkte
21
22 Ausströmöffnung
23 Schlauchwirbelerzeuger
24 Abströmöffnung
25 Ausströmöffnung
26 Strömungsmodul
27 Bodenreflektor
28 Kegelklappen
29 Wärmetauscher
30 Strömungsmodul
31 Kegelklappen
32 Tragwerk
33 Durchströmöffnung
34 Zwischenplatte
36 Grundplatte
37 Zwischenplatte
38 Deckplatte
Claims (8)
1. Verfahren zur Leistungserhöhung von Vertikalach
senrotoren in Strömungsmodulen, welche mittels
Einströmöffnungen bildenden Klappen und die Klappen
abdeckenden, mindestens eine Ausströmöffnung auf
weisenden Platten aus Parallelströmungen Drehströ
mungen unter Überdruck herstellen und ein Massestrom
mit zur mittigen Ausströmöffnung hin ansteigender
Umfangsgeschwindigkeit als Drallströmung wieder in
die erzeugende Parallelströmung fließt und im
Bereich der höchsten Umfangsgeschwindigkeit des
Massestromes ein Vertikalachsenrotor angetrieben
wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß kinetische Energie einer Parallelströmung an
äußeren, flexibel federelastisch wirkenden, tangenti
ale Einströmöffnungen bildende, den inneren und
äußeren Drücken anpaßbaren Klappen gewandelt wird,
eine hergestellte Drehströmung eine kammerartige
Turbine mit flexiblen, federelastisch wirkenden
Schaufeln gleichförmig anströmt, die Wandreibungs
widerstände der Schaufeln durch Absaugung von Fluid
herabgesetzt und die Relativgeschwindigkeiten der
kammerartig aufgeteilten Massenströme erhöht werden,
diese Massenströme zwischen den flexiblen Schaufeln
hindurchströmen und Drehmomente erzeugen, in den
kammerartigen Ausströmöffnungen der Turbine in
laminar weiterfließende, die innere Drallströmung
herstellende Massenströme sowie in senkrecht zur
Strömung generierte Zirkulationen geteilt werden,
welche in der Startphase geschwindigkeitskonzentrier
te, gleichsinnig drehende Wirbelfäden aufweisen und
die Relativgeschwindigkeiten in den Ausströmbereichen
der kammerartigen Turbine sowie den inneren Durch
strömwiderstand der Turbine herabsetzen, die gene
rierten Wirbelfäden auf Raumpunkten verschiedener
Ebenen der kammerartigen Turbine unter dem Überdruck
eines Strömungsmoduls über Abströmspitzen in die
innere Drallströmung und in eine Schwellphase über
geleitet werden, die Raumpunkte der Abströmspitzen
in Drehrichtung zur Ausströmöffnung hin, auf Teil
kreisen geometrisch definiert, in gleichen Winkeln
zwischen den Ebenen gegeneinander drehachsenparallel
versetzt, eine immer dichtere Packlage der generier
ten, raumfest werdenden Wirbelströmungen in einer
strömungsmechanisch definierten Überdruckzone in der
inneren Drallströmung herstellen, eine axiale Zusatz
geschwindigkeit induziert wird, welche die Zirkula
tionen in den Ausströmbereichen der kammerartigen
Turbine erhöht, bis sich ein stabiler Strömungszu
stand eingestellt hat und daß dieser Strömungszustand
außerhalb der Ausströmöffnung des Strömungsmoduls
aufrechterhalten wird und daß im Prozeß der Generie
rung von Wirbelströmungen eine Sekundärenergienutzung
durch Wandlung potentieller in kinetische Energie
erfolgt.
2. Verfahren zur Leistungserhöhung von
Vertikalachsenrotoren in Strömungsmodulen nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Auftriebsrichtung über einer Ausströmöffnung
ein Wärmetauscher mit der Drehgeschwindigkeit einer
Turbine mitläuft, solare Strahlungsenergie konzen
triert und auf Absorberflächen des
Wärmetauschers geleitet und durch Wärmeleitung sowie
Reflektion von Wärmestrahlung im Wärmetauscher
verteilt wird, der rotierende Wärmetauscher mit der
Translationsgeschwindigkeit der aus der Turbine
austretenden Drallströmung strömungsmechanisch
definiert durch- und/oder umströmt wird, die Drall
strömung erhitzt und durch Auftrieb in der Transla
tion beschleunigt wird, die erhitzte Drallströmung
in den Unterdruckkern eines darüber rotierenden
Wirbels eingeleitet und weiter beschleunigt
wird, die Umfangsgeschwindigkeit der die Turbine an
treibenden Drehströmung erhöht und ein größerer
Massestrom durch die Turbine gezogen wird und daß
parallel am Strömungsmodul der Turbine außen stau
druckerhöhende Wirbelerzeuger Wirbelfäden generieren,
welche durch Staudruck angetrieben durch Leiteinrich
tungen direkt in den Wirbelkern des darüber rotieren
den Wirbels eingeleitet und zu einer Wirbelschicht
angeordnet werden, so daß aus primärer kinetischer
Energie eine Zusatzgeschwindigkeit erzeugt wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, wobei Strömungsmodule mit zylinderförmig
angeordneten Klappen und die Klappen abdeckenden, mit
mindestens einer mittigen Ausströmöffnung versehenen,
Platten angeordnet sind, in einem Strömungsmodul im
Bereich der Ausströmöffnung mittig ein Vertikalach
senrotor angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß äußere Klappen (1) von Strömungsmodulen (2) durch
flexible, federelastisch wirkende Flächenelemente
gebildet sind, ein Vertikalachsenrotor durch eine
kammerartig beschaufelte Turbine (3) gebildet ist,
in der Turbine (3) Trägerringe (4) in definiertem
Abstand rotationssymmetrisch über der Drehachse an
ordnet sind, welche mit Distanzstücken (5) sowie
in den Distanzstücken (5) angeordneten Verbindungs
elementen (6) elastisch miteinander verbunden sind,
ein Trägerring (7) mit einer Lagerung, zum Beispiel
einer Generatorwelle (8), über Speichen (9) verbunden
ist und die Turbine (3) trägt, Schaufeln (10) an den
Distanzstücken (5), aus flexiblen Flächenelementen
gebildet, strömungsformbar angeordnet sind und daß
an den Innenkreisen der Trägerringe (4) auf Teil
kreisen in Drehrichtung in gleichen Winkeln je Trä
gerring (4; 7; 4) gegeneinander versetzt Wirbelerzeuger
(11) mit Abströmspitzen (12) angeordnet sind und daß
die Abströmspitzen (12) auf drehachsenparallelen
Linien in gleichen Winkeln gegeneinander versetzte
Raumpunkte markieren.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, wobei zwei Strömungsmodule übereinander
angeordnet sind, welche unterschiedlich große,
mittige Ausströmöffnungen aufweisen, im Bereich der
kleineren Ausströmöffnung im Strömungsmodul ein
Vertikalachsenrotor angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in Drehrichtung die
flexiblen Klappen (1) des Strömungsmoduls (2) im
unbelasteten Zustand nach innen geöffnet angeordnet
sind und daß die flexiblen Klappen (13) eines zweiten
Strömungsmoduls (14) im unbelasteten Zustand entgegen
der Drehrichtung nach außen geöffnet angeordnet sind.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, wobei zwei Strömungsmodule übereinander
mit unterschiedlichen großen Ausströmöffnungen und
in Drehrichtung im unbelasteten Zustand nach innen
geöffneten Klappen angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungsmodul (15)
über einem Strömungsmodul (2) mit Vertikalachsenrotor
(3) angeordnet ist, vor den flexiblen Klappen (1) des
Strömungsmoduls (15) staudruckverteilende, hyperbo
lisch geformte Wirbelerzeuger (16) über 180° drehbar
angeordnet sind, die Wirbelerzeuger (16) in einem
Drehpunkt eine Ausströmöffnung (17) aufweisen, die
mit Leiteinrichtungen, zum Beispiel Rohren (18), ver
bunden sind und daß die Rohre (18) im strömungsmecha
nisch definierten Wirbelkern einer Drehströmung Aus
strömöffnungen (19) aufweisen, welche auf drehachsen-
parallelen Linien Raumpunkte (20) herstellen, welche
in verschiedenen Ebenen des Strömungsmoduls (15) in
Drehrichtung in gleichen Winkeln auf Teilkreisen in
Richtung Ausströmöffnung gegeneinander versetzt ange
ordnet sind und daß ein Ausströmrohr (21) des Strö
mungsmoduls (2) in Höhe der untersten Lage der Raum
punkte (20) mit einer Ausströmöffnung (22) angeord
net ist und daß über der obersten Lage der Raum
punkte (20) spiralförmig ausgebildete, über 180°
drehbare Schlauchwirbelerzeuger (23) mit Abström
öffnungen (24) eine Abströmöffnung (24) eines
Strömungsmoduls (15) bilden.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1-5, wobei an mindestens einem Strömungs
modul am äußeren Umfang vor den Klappen Wirbelerzeu
ger angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß Anströmflächen der Wir
belerzeuger (16; 23) aus strömungsformbaren, flexiblen
und federelastisch wirkenden Flächenelementen gebil
det sind.
7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1 und 2, wobei mehrere Strömungsmodule über
einander angeordnet sind und Wind- und/oder solare
Strahlungsenergie genutzt wird und im unteren Ström
ungsmodul eine Turbine zur Erzeugung nutzbarer Ener
gie angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß mittig über einem Ström
ungsmodul (2) mit Turbine (3) ein Wärmetauscher (29)
mit der Turbine (3) drehbar angeordnet ist, ein
Strömungsmodul (26) durch Kegelklappen (28) gebildet
ist, welche auf einer Zwischenplatte (37) mit kleinem
und an einer Zwischenplatte (34) mit größerem Durch
messer angeordnet sind, über dem Strömungsmodul (26)
ein Strömungsmodul (30) aus Kegelklappen (31) gebil
det ist, welche auf der Zwischenplatte (34) mit klei
nerem Durchmesser gegenüber den Kegelklappen (28) des
Strömungsmoduls (26) sowie an einer Deckplatte (38)
im Bereich einer Abströmöffnung (24) angeordnet sind,
auf der Zwischenplatte (37) ein kegeliger Bodenreflek
tor (27) angeordnet ist und daß die Kegelklappen (28)
des Strömungsmoduls (26) als flexible, federelastisch
wirkende Flächenelemente ausgebildet und innen mit
einer Strahlung reflektierenden Schicht versehen sind,
welche unter Strömungsdruck hohlspiegelartige Flächen
zu einem kegeligen Reflektor anordnen, gleichartige
Kegelklappen (31) im Strömungsmodul (30) einen nach
unten öffnenden kegeligen Reflektor ausbilden und daß
die Kegelklappen (31) im Einstrahlungsbereich der
solaren Strahlung teilweise transparent und teilweise
als Reflektoren ausgebildet sind, wobei die Zwischen
platten (34; 37) und die Deckplatte (38) durch ein
Tragwerk mit der Grundplatte (35) verbunden sind.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1-7, wobei Wirbelerzeuger an oder in Ström
ungsmodulen angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß Abströmspitzen (12) von
Wirbelerzeugern (11; 16) im Bereich von kegelstumpf
artigen Geschwindigkeitskonzentratoren (35) angeordnet
sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4429376A DE4429376A1 (de) | 1994-08-12 | 1994-08-12 | Verfahren und Einrichtung zur Leistungserhöhung von Vertikalachsenrotoren in Strömungsmodulen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4429376A DE4429376A1 (de) | 1994-08-12 | 1994-08-12 | Verfahren und Einrichtung zur Leistungserhöhung von Vertikalachsenrotoren in Strömungsmodulen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4429376A1 true DE4429376A1 (de) | 1996-02-15 |
Family
ID=6526046
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4429376A Withdrawn DE4429376A1 (de) | 1994-08-12 | 1994-08-12 | Verfahren und Einrichtung zur Leistungserhöhung von Vertikalachsenrotoren in Strömungsmodulen |
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Country | Link |
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DE (1) | DE4429376A1 (de) |
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