DE4429376A1

DE4429376A1 - Verfahren und Einrichtung zur Leistungserhöhung von Vertikalachsenrotoren in Strömungsmodulen

Info

Publication number: DE4429376A1
Application number: DE4429376A
Authority: DE
Inventors: Juergen Schatz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-12
Filing date: 1994-08-12
Publication date: 1996-02-15

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 v_a _* r_a = v_i _* r_i 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

Claims

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.