DE639000C - Einrichtung zur Umwandlung der mechanischen Energie von auch Schwebeteilchen enthaltenden stroemenden Gasen, insbesondere der Windenergie atmosphaerischer Luft, in elektrische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung der mechanischen Energie von auch Schwebeteilchen enthaltenden strömenden Gasen, insbesondere der Windenergie atmosphärischer Luft, in elektrische Energie, wobei die durch einen an eine Gleichspannungsquelle angelegten Ionisator mittels Spitzenentladung im Gase erzeugten, gleichartig geladenen Ionen bzw. Schwebeteilchen durch die Gasströmung einem Auffänger zugetragen werden, um denselben als Pol eines Stromerzeugers nutzbar zu machen. Bei Einrichtungen dieser Art ergeben sich Verluste einerseits bei der Aufladung des Auffängers, da derselbe nur einen Teil der durch die Gas-Strömung transportierten Ladung aufnimmt, den übrigen Teil hingegen vorbeigehen läßt, und anderseits bei der Erhaltung der vom Auffänger aufgenommenen Ladung, da der Auffänger einen Teil der aufgenommenen Ladung wieder an das

ao strömende Gas abgibt.

Gemäß der Erfindung können die angedeuteten Nachteile dadurch praktisch zur Gänze beseitigt werden, daß sowohl der Ionisator wie auch dessen Gleichspannungsquelle und auch deren Verbindungsleiter von der Erde isoliert aufgestellt und über den Verbraucher geerdet sind, der Auffänger hingegen unmittelbar geerdet ist.

Hierbei ist also die Erkenntnis nutzbar gemacht, daß der samt Gleichspannungsquelle und Verbindungsleiter von der Erde isoliert aufgestellte Leiterkreis des Ionisators durch den Entzug der gleichartig geladenen Ionen mittels der Gasströmung eine Aufladung erfährt, die zur Herbeiführung des Nutzstromes dem Verbraueher vom Ionisator als Spannungsklemme unmittelbar zugeführt wird. Durch diese Abnahme der Energie unmittelbar vom Ionisator können bessere Betriebsverhältnisse und Wirkungsgrade erzielt werden als bei unmittelbarer Erdung des Ionisatorsystems. Der dem Ionisator entzogene Ionenstrom ist hier, abgesehen von kleineren Verlusten, gleich dem vom Ionisator überhaupt abnehmbaren Nutzstrom. Der geerdete Auffänger dient hier hauptsächlich zur Formgebung des Kraftfeldes. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können aber die dem Ionisatorsystem entzogenen Ionen gleichartiger Ladung der Erde zugeführt, also das besondere Auffängersystem weggelassen werden. Die Möglichkeit der gänzlichen Weglassung des Auffängers ist insbesondere bei An-

wendung der Erfindung auf die Nutzbarmachung der Windenergie atmosphärischer Luft, worauf die Erfindung hauptsächlich gerichtet ist, von Bedeutung/ da sie den weiteren baulichen Vorteil ausschlaggebender Wichtigkeit bietet, -daß die zur Gewinnung einer nutzbaren Energie von Belang sonst sich unumgänglich als notwendig erweisenden sehr großen Auffängerflächen und deren Traggerüst erspart werden können. ίο Ein weiterer Nachteil von Einrichtungen der in Rede stehenden Art bestand darin, daß die zur Bildung eines im ganzen Strömungsquerschnitte gleichmäßig verteilten und zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades notwendigen Kraftfeldes entsprechende Form und räumliche Verteilung der Elektrodenflächen nicht bekannt war. Durch die Erfindung werden auch hierzu zum ersten Male Vorschläge gemacht, indem die Elektroden des Ionisators erfindungsgemäß netzartig und somit auf den ganzen Strömungsquerschnitt gleichmäßig verteilt aufgebaut werden. Die gleichmäßige Verteilung der Elektroden im Strömungsquerschnitt hat im Gefolge, daß das zwischen Ionisator und Auffänger sich bildende Feld sich auch im Querschnitte gleichmäßig verteilt und dadurch die volle Ausnutzung der Gasströmung ermöglicht. ,

Einrichtungen, bei denen durch einen Ionisator, der an eine Gleichspannungsquelle angelegt ist, mittels Spitzenentladung in der Luft gleichartig geladene Ionen erzeugt und dieselben durch die Luftströmung .einem Auffänger zu^ transportiert werden, sind für wissenschaftliche Zwecke zur Bestimmung der Beweglichkeit der Ionen bereits angewendet worden. Hierbei besteht die Weinflächige Elektrode des Ionisators aus einem in Richtung der Gasströmung ausgespannten einzigen Draht, und die einen Zylinder darstellende großflächige Ionisatorelektrode sowie der eine Pol der Gleichspannungsquelle sind geerdet, während der Auffänger mit einem Meßäpparat in Verbindung steht. Bei diesen wissenschaftlichen Zwecken dienenden Messungen spielte natürlich die Frage des Wirkungsgrades keinerlei Rolle, und es konnte daher daraus keine Lehre nach der Richtung gezogen werden, daß eine wesentliche Verbesserung der Betriebsverhältnisse dadurch erzielt werden kann, wenn der Ionisator samt Zuleitungen und Spannungsquelle von der Erde isoliert aufgestellt und der Auffänger unmittelbar an Erde gelegt oder durch die Erde gebildet wird.

Die Erfindung soll noch ausführlicher an Hand der Abbildungen erklärt werden. Abb. ι zeigt im schematischen Längsschnitt nebst Schaltung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung. Abb. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das zur Aufstellung im Freien geeignet ist. Die Abb. 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel für die Elektroden des Ionisators in Draufsicht und Querschnitt, während Abb. 5 in Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektroden des Ionisators darstellt.

In der Achse eines Rohres 4 aus Isoliermaterial (Abb. 1) ist ein dünner Draht 5 ausgespannt, ■ der gleichachsig von einem Metallzylinder -6 umgeben ist. Der Metallzylinder 6 und der Draht 5 "sind mit den Klemmen einer Gleichspannungsquelle 7 verbunden, deren Spannung so gewählt ist, daß zwischen Draht 5 und Zylinder 6 erne stille Entladung (Spitzenentladung) entsteht. Es werden dadurch in der Nähe des Drahtes durch Stoßionisation Ionen oder geladene Schwebeteilchen erzeugt, von denen der Draht 5 jene, die gleiches Vorzeichen haben, von sich abstößt, während er diejenigen, die entgegengesetztes Vorzeichen- besitzen, anzieht. " Der dem Zylinder 6 zufließende Ionenstrom wird daher, wie bekannt, durch gleichartige Ionen getragen. Die Teile 5 und 6 stellen also einen Ionisator dar, dessen kleinflächige Elektrode von Draht 5 und dessen großflächige Elektrode vom Metallzylinder 6 gebildet wird. Dieser Ionisator ist erfindungsgemäß samt der Gleichspannungsquelle 7 und den Verbindungsleitungen von der Erde isoliert aufgestellt.

In einer gewissen Entfernung vom Ionisator ist in das Rohr 4 ein gitterartiger Auffänger 8 eingebaut; er kann z. B. aus zur Achse des Rohres 4 parallel angeordneten Metallstreifen oder einfach aus einem Drahtnetz bestehen. Zwischen Auffänger 8, der unmittelbar an Erde gelegt ist, einerseits und einem Punkte des Drahtes 5 anderseits als Klemmen des Stromerzeugers ist ein Verbraucher 9 (Belastungswiderstand) eingeschaltet, der an die Ionisatorelektrode 5 ebenfalls unter Vermeidung einer Erdung angeschlossen ist.

Im Rohr 4 wird in Richtung vom Ionisator zum Auffänger eine Gasströmung aufrechterhalten. Die Ionen, die vom Draht 5 nach dem Zylinder 6 wandern, werden, durch die Gasströmung in Richtung derselben abgelenkt, und ein Teil der Ionen wird hierbei aus der Entladungsbahn ganz entrissen und durch das Gas mitgeführt. Ist z. B. der Draht 5 mit dem positiven, der Zylinder 6 mit dem negativen Pol der Stromquelle 7 verbunden, so wird das in der Nähe des Drahtes vom Gasmolekül abgespaltene Elektron vom Draht sogleich abgefangen, und das entstandene positive Ion wird abgestoßen. Letztere wird dann vom Gas dem Auffänger 8 zugetragen. Im Leitersystem, das von der Stromquelle 7, dem Draht 5, dem Zylinder 6 und deren Verbindungen besteht, bleibt somit nach jedem durch die Gasströmung fortgetragenen Ion ein freies Elektron zurück, und da dieses Leitersystem 7, 5, 6 von der Erde isoliert aufgestellt ist, wird dasselbe durch den geschilderten Entzug der positiven Ionen negativ aufgeladen. Die vom Gas mitgeführten posi-

tiven Ionen, die auf die Auffangelektrode 8 treffen, nehmen von dieser ein Elektron auf und werden auf diese Weise neutralisiert. Es können sich aber auch Ionen an anderen geerdeten Teilen der Vorrichtung entladen. Ist der Draht 5 dem Zylinder 6 gegenüber negativ, so werden die abgespaltenen, sich an ein Gasmolekül anlagernden Elektronen vom Gas als negative Ionen fortgetragen, und die zurückgebliebenen positiven Molekülreste werden vom Draht 5 angezogen; sie nehmen hierbei vom Draht 5 ein Elektron auf, wodurch sie neutralisiert werden. Das Ionisatorsystem wird in diesem Falle positiv aufgeladen. Es entsteht so in beiden Fällen zwischen Ionisator und Auffänger 8 eine Potentialdifferenz, die durch Verbinden des Ionisators, und zwar vorzugsweise dessen kleinflächige Elektrode einerseits und des Auffängers anderseits, über einen Stromver-

ao braucher nutzbar gemacht wird.

Die Spannungsquelle 7 wird hierbei nur von dem Strom belastet, der durch die nicht von dem Gasstrom fortgeführten Ionen hervorgerufen wird. Der durch den Nutzwiderstand 9 fließende Strom kann höchstens gleich dem aus dem Draht 5 tretenden Spitzenstrom sein. Er ist praktisch jedoch kleiner als dieser. Die Spannung, die zwischen Ionisatorsystem und Elektrode 8 bzw. Erde gewonnen werden kann, ist viel größer als die Spannung der Stromquelle 7, die in der Größenordnung von 10 oooVolt liegen kann.

Die Ionen können vom Gas natürlich nur mit kleinerer Geschwindigkeit als der Gasgeschwindigkeit befördert werden, da das im Rohr 4 vorhandene Kraftfeld auf die Ionen eine zur Bewegung des Gases entgegengesetzt gerichtete Kraft ausübt. Die Ionen bewegen sich also mit einer gewissen relativen Geschwindigkeit gegen die Strömung des Gases. Durch diese relative Gegenbewegung entsteht zwischen den Ionen und Molekülen des Gases eine verlustbringende Reibung.

Bei der Energieumwandlung kann daher den

♦5 Klemmen der Einrichtung nur ein Teil der von der Strömung abgegebenen Energie als elektrische Stromleistung entnommen werden, während ein anderer Teil durch diese Reibungsvorgänge in Wärme umgewandelt wird.

5» Der Wirkungsgrad des Vorganges hängt von der Beweglichkeit der Ionen ab. Bei kleinerer Beweglichkeit ist der Wirkungsgrad größer. Große Gasdrücke oder Geschwindigkeiten können nicht mit gutem Wirkungsgrad angewendet werden, weil man in diesem Falle ein zu langes Rohr nötig haben würde, bei dem der Verlust durch Reibung des Gases an der Rohrwand zu groß wäre.

An Stelle eines in einem Zylinder gleichachsig angeordneten Drahtes können in der Gasströmung flächenhafte Gebilde vorgesehen werden, bei denen eine kleine Fläche einer relativ großen Fläche gegenübersteht, bei denen also bei Verbindung mit einer entsprechenden Stromquelle die an sich bekannte Erscheinung der Spitzenentladung entstehen kann. Diese Flächen müssen so angeordnet werden_s daß die Gasströmung einen möglichst großen Teil der entstandenen Ionen mit sich führt, da die an sich einen Verlust darstellende Belastung der Stromquelle 7 proportional zu der Anzahl der Ionen ist, die die größere Fläche 6 erreichen.

Zur Nutzbarmachung einer Luftströmung im Freien, also des Windes, kann gemäß der Erfindung der Ionisator und der Auffänger 8 im Freien auch unter Weglassung des Rohres 4 aufgestellt werden, wie dies beispielsweise in Abb.2 dargestellt ist. Dadurch wird die Isolierung der unter hoher Spannung stehenden Teile erleichtert, und es wird auch die zur Erzeugung sehr hoher Spannungen erforderliche Ausführung in größten Abmessungen ermöglicht. Die großflächige Elektrode des Ionisators kann hierbei einfach aus einem aufrecht stehenden Drahtnetz 12 bestehen, während die kleinflächige Elektrode des Ionisators aus dünnen Drähten 5 besteht, die im Raum zwischen dem Netz 12 und dem Auffänger 8 aufgestellt sind, wie dies in Abb. 6 auch in Draufsicht angedeutet ist.

Die Belastung 9 ist zweckmäßig an die kleinflächige Ionisatorelektrode 5 anzuschließen (Abb. 2), dabei dieser Schaltung die Spannungsquelle 7 vom Nutzstrom nicht belastet ist.

Statt Erdung des Auffängers kann die Auffangelektrode auch einfach weggelassen werden. In diesem Falle wird der Auffänger durch die Erde selbst gebildet. Beim Aufstellen im Freien wird dadurch außer den durch die Erdung an sich erzielten, bereits erwähnten Vorteilen auch der bauliche Vorteil erreicht, daß der Aufbau des Auffängers überhaupt erspart wird und dadurch Anlagen in größten Dimensionen vielfach erst ermöglicht werden.

Die mittlere Bahn der Ionen wird bei der Weglassung der Auffangelektroden und Bildung des Auffängers durch die Erde selbst keine Gerade, sondern eine zur Erde gebogene Kurve darstellen. Die Ionen werden sich also in einer gewissen Entfernung vom Ionisator der Erdoberfläche nähern und schließlich auf den Erdboden gelangen. Da die Ionen zum Teil aus in der Luft suspendierten Teilchen als Körner (Schwebeteilchen) bestehen, werden dieselben bei Weglassung der Auffangelektrode durch den bereits beschriebenen Vorgang auf die Erdoberfläche gebracht. Die Einrichtung kann also in dieser Ausführung zur Befreiung der Luft von den in ihr schwebenden Teilchen, z. B. Staub oder Nebel, verwendet werden. Um vom Wind nicht abhängig zu sein, kann die Einrichtung mit oder ohne Rohr 4 auf einem Fahrzeug derart angebracht werden, daß die Elektroden des

Ionisators beim Fahren von der Luft bestrichen werden; hierbei bewegt sich also der Ionisator in der etwa stehenden Luft. Das Fahrzeug muß dann das zu reinigende Gebiet, z. B, Straßen, Hafen usw., durchfahren.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf bestimmte bauliche Ausführungen von zur Herbeiführung von Spitzenentladungen geeigneten Ionisatoren beschränkt. Zur Aufstellung im • ίο Freien sind jedoch besondere, die in Abb. 3 bis 6 dargestellten Ausführungen geeignet.

Gemäß Abb. 3 und 4 sind in einem Rahmen 10 Platten 11 befestigt; der Rahmen ist derart aufgestellt, daß die Platten 11 parallel zurWindrichtung verlaufen. Die Platten 11 können bei vertikaler Anordnung durch Zapfen auch verdrehbar im Rahmen befestigt sein, so daß sie sich in die jeweilige Windrichtung selbsttätig einstellen können. Bei waagerechter Anordnung können die Platten feststehend befestigt werden, da hierbei ihre Ebene zu beliebigen Windrichtungen parallel verläuft. Parallel zu den die großflächige Elektrode des Ionisators darstellenden Platten 11 sind als die kleinflächige Elektrode des Ionisators dünne Drähte 5 ausgespannt. Der Auffänger 8, der z. B. aus einem Drahtnetz bestehen kann, ist in einer zum Rahmen 10 parallelen Ebene aufzustellen.

Gemäß Abb. 5 sind die dünnen Drähte 5 im Raum zwischen den Platten 11 und dem- Auffänger angebracht. Statt der Platten 11 kann hierbei gemäß Abb. 2 und 6 auch ein Drahtnetz 12 angewendet werden, das rechtwinklig zur Richtung der Gasströmung aufgestellt ist. ³S Die Ionisatoren gemäß Abb. 3 bis 6 können natürlich auch bei der Ausführung gemäß Abb. 1 in das Rohr 4 eingebaut werden, wenn die Rohrweite dies erlaubt.

Die vorteilhafteste Entfernung des Ionisators vom Auffänger 8 hängt von der Stromdichte bzw. der Spannung ab, die zwischen ihnen herrschen soll, ferner auch von der Gasgeschwindigkeit. Bei relativ großer Stromdichte ist die Entfernung kleiner, bei kleiner Stromdichte bzw. großer Spannung ist die Entfernung größer. Diese Entfernung kann zweckmäßig etwa 2 bis 20 m betragen.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Umwandlung der mechanischen Energie von auch Schwebeteilchen enthaltenden strömenden Gasen, insbesondere der Windenergie atmosphärischer Luft, in elektrische Energie, bei der die durch einen an eine Gleichspannungsquelle angelegten Ionisator mittels Spitzenentladung im Gas erzeugten, gleichartig geladenen Ionen bzw. Schwebeteilchen durch die Gasströmung einem Auffänger zugetragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Ionisator wie auch dessen Gleichspannungsquelle und auch deren Verbindungsleiter von der Erde isoliert aufgestellt und über den zweckmäßig mit der kleinflächigen Elektrode des Ionisators verbundenen Verbraucher geerdet sind, der Auffänger hingegen unmittelbar an Erde gelegt ist.
2. 2. Abänderung einer Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der besondere Auffänger fortgelassen ist und die Erde selbst die vom Luftstrom fortgetragenen Ladungsträger auffängt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gas vom Ionisator zur Auffangelektrode bzw. zur Erde ohne eine zwangsläufige Führung bewegt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisator aus einer Anzahl parallel angeordneter Drähte und Platten besteht, die zweckmäßig in einem Rahmen abwechselnd angebracht und daß die Drähte einerseits und die Platten anderseits an die Klemmen einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten waagerecht ^angeordnet sind.
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisator aus einem metallenen Netz und aus dazu parallel angeordneten Drähten besteht und daß die Drähte in Richtung der Strömung des Mediums gesehen hinter dem Netz vorgesehen und das Netz einerseits und die Drähte anderseits an die Klemmen einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem Fahrzeug derart angebracht ist, daß beim Fahren. die Elektroden des Ionisators vom Luftstrom bestrichen werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen