DE69903918T2

DE69903918T2 - Magnetohydrodynamisches (mhd) umwandlungssystem von meeresströmungen

Info

Publication number: DE69903918T2
Application number: DE69903918T
Authority: DE
Inventors: Jacob Van Berkel
Original assignee: ENTRY TECHNOLOGY RHENEN
Current assignee: ENTRY TECHNOLOGY RHENEN
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: WO1999037914A1; EP0931931A1; AU2441499A; US6310406B1; CA2319363A1; DE69903918D1; EP1051570B1; EP1051570A1; ATE227809T1

Description

1.1 Stand der Technik: Nutzung von Gezeiten- & Meeresströmung

Eine große Energiemenge ist in den Gezeiten- und Meeresströmungen in der Welt vorhanden. Es wird eine Menge von 200000 MW für Meeresgezeiten- und 50000 MW für Meeresströmungen geschätzt (Charlier, 1982).
Doch wird heutzutage diese riesige Energiemenge kaum genutzt. Gegenwärtig befindet sich nur ein 250 MW-Gezeitenstromprojekt, in Frankreich in der Mündung des Flusses Rance, in Betrieb. Das Projekt verwendet einen Staudamm zum Blockieren der Gezeitenströmung und zum Abgeben derselben durch Propellerturbinen, siehe Fig. 1.
Geräte, die derzeit in der Testphase sind, sind sogenannte Freistrahl-Geräte, siehe Fig. 2 (nach IT-power News, 1993). Diese Geräte brauchen keinen Staudamm, sondern wandeln die kinetische Energie der Strömung direkt in mechanische Energie um. Deren Entwicklung stammt von der Windmühlenturbinentechnologie. Jedoch hat bis jetzt kein Freistrahlgerät den Pilotstatus erreicht. Es werden nun Pläne für Anwendungen in großem Maßstab entwickelt, wie der Cenex (Current Energy Exploitation)-Plan zur Nutzbarmachung von Energie aus der Meerenge von Messina. Die erste Phase dieses Projekts sieht die Installation von ungefähr 100 Darieus-artigen Turbinen vor.

1.2 Nachteile

Sowohl der Staudamm als auch die Freistrahlgeräte weisen spezielle Nachteile auf. Die Staudammsysteme bringen in großem Umfang Hoch- und Tiefbauarbeiten (der Staudamm selbst) mit sich. Abgesehen von den großen Kapitalbedürfnissen für die Konstruktion weisen diese Systeme während der Erstellung, aber auch während des Betriebs, einen großen Einfluß auf die Umgebung auf. In Bezug auf die Freistrahlgeräte kann man sagen, daß deren Einfluß auf die Umwelt gering ist. Da die mechanische Energie vor der Umwandlung nicht verdichtet wird (wie in dem Staudammtyp durch Blockieren der Strömung), ist jedoch die pro Turbine umgewandelte Energiemenge gering. Da diese Turbinen in einer gefährlichen Meeresumgebung betrieben werden müssen, sind die Turbinen zusätzlich anfällig für Korrosion und mechanisches Versagen. Da sie weniger leicht zugängig sind, ist die Wartung der unter Wasser befindlichen Maschinenbauwerke (Rotorblätter, Dichtungen, Getriebe, Generator) teuer und zeitaufwendig.

1.3 Historischer Hintergrund

Die erste Person, die sich der Wechselwirkung zwischen einem elektrischen und einem magnetischen Feld bewußt wurde, ist Michael Faraday. Als Teil seiner Experimente versuchte er ein elektrisches Potential zu messen, das von der Gezeitenströmung erzeugt wurde, die die Waterloo-Brücke im Erdmagnetfeld passierte (Faraday, 1839). Wahrscheinlich aufgrund der geringen Magnetfeldstärke (bei Breitengrad 52 (Holland/UK) beträgt die horizontale Komponente des Erdmagnetfeldes 1,8 · 10&sup5; Tesla) konnte jedoch Faraday keine Potentialdifferenz detektieren.
Die US-A-5, 136,173 offenbart einen magnetohydrodynamischen Generator. Der Generator umfaßt einen an einem Aufhängemittel angebrachten Schwimmer. An der anderen Seite des Aufhängemittels sind magnetohydrodynamische Umwandlungsmittel zum Hängen an dem Schwimmer auf einem tiefen Niveau in dem Meer verbunden. Im Gebrauch wird der Schwimmer aufgrund der Bewegung des Meeres an seiner Oberfläche auf und ab und werden somit die Umwandlungsmittel unter der Meeresoberfläche hoch- und hinunterbewegt. Meerwasser wird zum Fließen durch einen Kanal mit einer äußeren erweiterten Öffnung in ein Arbeitsvolumen der Umwandlungsmittel gezwungen. In diesem Arbeitsvolumen sind Elektroden vorgesehen. Im Gebrauch erzeugen die Umwandlungsmittel ein Magnetfeld, zumindest in dem Arbeitsvolumen und wird ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden aufgrund des Magnetfeldes in diesem Arbeitsvolumen und des in diesem Arbeitsvolumen fließenden Meerwassers erzeugt werden. Von diesen Elektroden kann elektrische Energie genommen werden.
Das Prinzip der Erzeugung von Elektrizität durch Bewegen eines Leiters in einem Magnetfeld wird heutzutage in Stromgeneratoren (Dynamoprinzip) verwendet. Normalerweise ist der elektrische Leiter ein Kupfer- (oder Aluminium-) Draht. In den 30er Jahren dieses Jahrhunderts wurden Systeme entwickelt, in denen der Leiter selbst ein Fluid war. Speziell sind Systeme untersucht worden, in denen der Leiter ein ionisiertes Hochtemperatur (elektrisch leitendes) Gas (ein Plasma) ist. Die Systeme sind zur Verwendung als ein Vorschalt-(Hochtemperatur-) Kreislauf von traditionellen Kohlekraftwerken vorgesehen. MHD-Umwandlung erzielte beträchtliche Aufmerksamkeit in den 60ern und 70ern. Die Entwicklung von kombinierten (Gas- und Dampfturbinen-) Kreisläufen (bei denen Gasturbinen als Vorschaltkreisläufe verwendet werden) und die Abnahme des Interesses an Kernkraftwerken verursachte jedoch eine Abnahme des Interesses an MHD-Umwandlung.
Eine MHD-Anwendung, die auch für die vorliegende Erfindung relevant ist, ist MHD- Schiffs- und U-Boot-Antrieb. Durch Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes um einen Schiffsrumpf werden Volumenkräfte auf das das Schiff umgebende leitfähige Wasser ausgeübt. Als eine Reaktion wird das Schiff angetrieben. Da Fluidvolumenkräfte (anders als Oberflächenkräfte) über eine große Entfernung ausgeübt werden können, kann ein großes Gebiet mitgerissen werden, was die notwendige Impulsmenge mit einer minimalen Menge an kinetischer Energie (die den Verlust darstellt) erzeugt. Ziel war der Bau von großen (100000 Tonnen) Fracht-U-Booten. Die geringe Effizienz des MHD-Antriebssystems (hauptsächlich durch die begrenzte Leitfähigkeit des Meerwassers und den hohen Energieverbrauch der supraleitenden Magnete verursacht) führte jedoch zu einer Aufgabe des Prinzips (Philips, 1962).

1.4 Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Energie von fließenden leitfähigen Flüssigkeiten, wie Salzwasser, in elektrische Energie (ohne einen Übergangsschritt mit mechanischer Energie) direkt umzuwandeln. Das Arbeitsprinzip basiert auf der Wechselwirkung zwischen einem elektrischen Feld, einem Magnetfeld und einem hydrodynamischen Feld, siehe Fig. 3. Wenn ein elektrischer Leiter sich in einer Richtung 1 durch ein Magnetfeld B in eine Richtung 2 bewegt, wird ein elektrisches Feld E in einer Richtung 3 erzeugt.
Somit beansprucht die Erfindung eine magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 1.
Während in bekannten MHD-Wandlern sich die Magnetfeldlinien im wesentlichen in dem Konstruktionsvolumen selbst befinden, wie zwischen den in Fig. 3 gezeigten Magnetpolen, basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, daß Magnetfeldlinien in großem Umfang außerhalb des Konstruktionsvolumens erzeugt werden können, was ein großer Vorteil ist, wenn der Wandler in die fließende Flüssigkeit, wie Meerwasser, eingetaucht ist. Der Wandler selbst kann klein gebaut werden, während er weiterhin Energie von großen Mengen von fließender Flüssigkeit in Elektrizität umwandelt.
Da magnetohydrodynamische (MHD) Kräfte Volumenkräfte (auf Fluidkörper, in einer Entfernung, wirkend) und nicht Oberflächenkräfte (nur auf Fluidoberflächen in direktem Kontakt mit dem Wandler wirkend) sind, können Volumen, die viel größer als der Wandler selbst sind, an dem Energieumwandlungsprozeß teilnehmen. Außerdem funktioniert der Umwandlungsprozeß ohne Bewegen von Maschinenbaukomponenten, was die Wartung vereinfacht. Zusätzlich macht das Fehlen von beweglichen Teilen den canvasser robuster und zuverlässiger.
In dieser Erfindung werden die MHD-Gezeiten- und -Meeresströmungswandler-Typen unterschieden in Bezug auf das Magnetfeldeinschalt- und vergrößerungsprinzip. Die vorliegende Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf einige Zeichnungen erläutert werden.
1.4.1 Magnetfeldeinschaltung durch Dauermagneten:
In Fig. 4 ist ein Multipol-Dauermagnetwandler gezeigt.
1.4.2 Gleichstrom-Magnetfeldeinschaltung:
In Fig. 5 ist ein Dipol-Gleichstromwandler perspektivisch gezeigt.
In Fig. 6 ist ein System, umfassend den in Fig. 5 gezeigten Stromwandler, gezeigt.
In Fig. 7 ist ein kraftentlasteter (gewundener) Typ von Gleichstromwandler gezeigt.
In Fig. 8 ist ein kraftentlasteter (Kurzschlußkäfig-) Typ von Gleichstromwandler gezeigt.
In Fig. 9 ist ein begrenzter Gleichstromwandler gezeigt.
1.4.3 Wechselstrom-Magnetfeldeinschaltung:
In Fig. 10 ist ein Freifeld-Wechselstromwandler gezeigt.
1.4.4 Bewegungsenergievergrößerung verwendende Systeme:
In Fig. 11 ist ein Diffusorsystem gezeigt.
In Fig. 12 ist ein Venturi-System gezeigt.
In Fig. 13 ist ein Staudammsystem gezeigt.
In Fig. 14 ist ein Hydraulikrammensystem gezeigt.
In Fig. 15 ist ein Hydraulikrammensystem perspektivisch gezeigt.
In Fig. 16 ist ein Andrea-Enfield-System gezeigt.
In Fig. 17 ist ein Turbinenrotorrandsystem gezeigt.
In Fig. 18 ist ein unbegrenztes Wirbelgeneratorsystem gezeigt.
In Fig. 19 ist ein begrenztes Wirbelgeneratorsystem gezeigt.

2 MHD-Gezeiten- und Meeresströmungswandler (Grundlegende Anordnung)

2.1 Dauermagnetsysteme

Ein Dauermagnetsystem kann in Mono- oder Multipolform, siehe Fig. 4, konfiguriert sein. In Multipolform besteht es aus in Segmente geteilten Stabmagneten 12, 13, die gestaffelt mit in Segmente geteilten positiven und negativen Elektroden 11 und 14 kombiniert sind. Zur Beseitigung von Kurzschlüssen entlang der Magnetoberflächen sind die Magnete mit einer Isolier (PTFE)-Schicht 15 elektrisch isoliert. Es sind die Nord- und Südpole des Magneten und die Magnetfeldlinien (durchgezogene Linien) und das elektrische Potentialfeld (gestrichelte Linien) gezeigt. In dieser Konfiguration beginnt ein elektrischer Strom, orthogonal zu den Magnetfeldlinien, von einer Elektrode zur anderen zu fließen. Dieser Strom stellt die erzeugte elektrische Energie dar. Der elektrische Strom kann durch elektrische Stromleitungen 24, von denen zwei in Fig. 4 gezeigt sind, zur Außenwelt gebracht werden.

2.2 Offene Gleichstromsysteme

Die Magnetfeldstärke kann mittels elektrischer Auslösung verstärkt werden. Die dipolare DC- Variante ist in Fig. 5 gezeigt. Der Wandler besteht aus einer rechteckigen Elektrizitätsleiterspule 22, wobei die längere Achse mit der Fluidströmung, z. B. aufgrund von Gezeitenströmung, ausgerichtet ist. Zwei rohrförmige Elektroden 21, 25 umschließen den elektrischen Leiter, sind aber von dem Leiter 22 elektrisch und thermisch isoliert. Zur Erleichterung der thermischen und elektrischen Isolation ist die Spule 22 durch ein rohrförmiges Gehäuse (in Fig. 5 nicht gezeigt) von der Umgebung isoliert. Der Ring zwischen den umschließenden Rohren 21 und dem elektrischen Leiter 22 kann luftleer gemacht werden, um Kryokühlung und Supraleitung des elektrischen Leiters 22 zu ermöglichen. Stromleitungen 23 liefern die notwendige Energie für das Magnetsystem.
Aufgrund eines in dem rechteckigen Leiter 22 fließenden elektrischen Stromes wird ein Magnetfeld B erzeugt, wie durch die durchgezogenen Linien gekennzeichnet. Aufgrund von Wechselwirkung zwischen der Fluidbewegung beginnt ein elektrischer Strom von einer Elektrode zur anderen zu fließen. Der elektrische Strom wird durch elektrische Stromleitungen 24 zur Außenseite gebracht.
Gemeinsam mit einer über die Elektroden aufgeprägten Potentialdifferenz repräsentiert der elektrische Strom eine Menge von elektrischer Energie.
Ein schwimmendes dipolares DC-System ist in der Fig. 6 gezeigt. Das System besteht aus einer rechteckigen Antenne 31, umfassend die in der Fig. 5 gezeigte Anordnung 21, 22, 23, die mittels Hängestangen 33 mit Schwimmern 32 verbunden ist.
Zur Kompensierung von auf die elektrischen Leiter wirkenden magnetischen Kräften können die Leiter in einer periodischen Weise, wie in Fig. 7 gezeigt, konfiguriert sein. In dieser Konfiguration weist jeder Leiter Nachbarn auf, die den von anderen Nachbarn ausgeübten Kräften entgegenwirken. Diese Strategie funktioniert perfekt für die gewundene Anordnung und (in großem Umfang) für eine in der Fig. 8 gezeigte Multipolanordnung.

2.3 Eingeschlossene Gleichstromsysteme

In dieser Kategorie wird das Magnetsystem in einem torpedoartigen Rumpf eingeschlossen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in ihrer Kompaktheit, die in Bezug auf thermische Isolation der Magnetspule günstig ist. In Fig. 9 ist eine Multipolanordnung 40 gezeigt, wobei das System jedoch in Monopolform arbeitet. In der eingeschlossenen Anordnung umfaßt der Wandler Elektroden 41, die an der Außenseite eines äußeren Zylinders 42 angebracht sind. Die Zylinderachse ist mit der Strömungsrichtung ausgerichtet. Der Zylinder 42 und die Elektroden 41 sind mittels einer Schicht (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. In dem äußeren Zylinder 42 befindet sich ein innerer Zylinder 42. Sie sind durch einen Ringspalt 46 getrennt. Innerhalb des inneren Zylinders 43 befindet sich ein Eisenmagnetkern 45. Die Pole des Kerns 45 sind von elektrischen Spulen 44 umschlossen, in denen das Magnetfeld erzeugt ist. Der innere Zylinder und sein Inneres wird gekühlt, um Supraleitung in den Spulen zu ermöglichen. Der Ringspalt 46 zwischen dem inneren Zylinder 43 und äußeren Zylinder 42 ist zur Reduzierung von Wärmeenergieverlusten evakuiert. Aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes und der Fluidbewegung beginnt ein elektrischer Strom von einer Elektrode 41 zu einer weiteren über elektrische Stromleitungen (nicht gezeigt) zu fließen. Gemeinsam mit der Potentialdifferenz zwischen der Elektrode stellt dieser Strom die erzeugte elektrische Energie dar.

2.4 Wechselstrom (Induktions)-Systeme

Statt Verwendung eines stationären Magnetfeldes (durch Dauermagneten oder konstante elektrische Ströme eingeschaltet) und separate Anlegung von Elektrodenpaaren zum Extrahieren der elektrischen Energie kann Energie durch Verwendung des Prinzips der Selbstinduktion umgewandelt werden.
Das Induktionsprinzip (Faradaysches Gesetz) besagt, daß die Spannung, die in einem Leiter erzeugt wird, aufgrund einer Änderung des Magnetfeldes proportional zur Änderungsrate des Magnetfeldes ist (u = L · d/dt (Φ), wobei L eine Konstante und (» der magnetische Fluß ist). Wenn das Magnetfeld (wiederum) von einem elektrischen Strom in dem Leiter erzeugt wird, ist die Änderungsrate des Magnetfeldes mit der Änderungsrate in dem elektrischen Strom verbunden. Nun besagt das Prinzip der Selbstinduktion, daß die Spannung u einen elektrischen Strom in dem Leiter verursacht, der der Änderung des elektrischen Stroms, der das Magnetfeld erzeugt, entgegenwirkt (Lenzsches Gesetz). Als eine Folge ist das Vorzeichen von u entgegengesetzt zur Richtung des Stromes und stellt das Produkt von u und i eine gewisse Menge von elektrischer Energie dar. Wenn der Strom i sinusförmig zeitlich variiert, wird die Spannung u in Kosinusform variieren.
Das vorangehende gilt für eine Vakuumumgebung. Wenn zusätzlich das Medium, in dem die Spule vorhanden ist, in Bezug auf die Spule stationär ist, befinden sich der Spulenstrom und die Spulenspannung in vollkommener Gegenphase. Im Zeitmittel wird weder elektrische Energie erzeugt noch verbraucht (das System speichert lediglich elektrische Energie in dem Magnetfeld).
Wenn sich jedoch das Medium, das z. B. Meerwasser und somit elektrisch leitfähig ist, bewegt, werden elektrische Ströme in dem Medium erzeugt, die selbst einem Magnetfeld entsprechen. Dieses Feld (das sich im Raum bewegt) verursacht eine elektromotorische Kraft (e.m.k.) in der Spule (in Phase mit dem Strom), wodurch die Situation mit vollkommener Gegenphase verloren geht und somit elektrische Energie erzeugt wird (auf Kosten von kinetischer Energie des sich bewegenden Mediums), siehe Fig. 10.
Der Vorteil des Induktionstyps besteht darin, daß elektrische Energie in den Magnetspulen selbst induziert wird, genau wie dies in einem traditionellen asynchronen Generator der Fall ist, und somit keine zusätzliche Elektroden notwendig sind.
In Fig. 10 ist ein Gezeitenströmungswandler 50 vom Induktionstyp in perspektivischer Sicht gezeigt. Der Wandler besteht aus mehreren ringförmigen Spulen 54, die entlang der Achse des Wandlers plaziert sind. Jede einzelne Spule ist mit einem elektrischen Strom versehen, der sich mit dem elektrischen Strom der Nachbarspulen außer Phase befindet. Auf diese Weise wird ein bewegtes (querlaufendes) Magnetfeld erzeugt. Als eine Option kann eine Magnetkernstruktur 55 zur Verstärkung des resultierenden Magnetfeldes installiert werden. Die gesamte Spulen/Kernstruktur ist in einem zylindrischen Behälter 52 eingeschlossen. Dieser Behälter kann für Wärmeisolierzwecke (z. B. mittels eines Vakuumspaltes 53) von einem äußeren zylindrischen Behälter 51 isoliert sein. In diesem Fall kann der innere Behälter gekühlt werden, um Supraleitfähigkeit zu erzielen.

3 Bewegungsenergievergrößerung verwendende Systeme

Zur Reduzierung der Materialmenge und der störenden Wärmeverluste (im Falle von Kryokühlung von supraleitenden Magneten) ist es von Vorteil, die Bewegungsenergiedichte (Bewegungsenergiefluß) der Gezeiten- oder Meeresströmung vor Umwandlung zu erhöhen.
Bewegungsenergie kann mittels eines Diffusorsystems (siehe Fig. 11) verdichtet werden. Es besteht aus einem Kanal 62 mit einem sanften Einlaßabschnitt 63, einem den Wandler 61 einschließenden Halsabschnitt 64 und einem Diffusorabschnitt 65 mit divergierendem Ende. Im Gebrauch erstreckt sich der Kanal 62 in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Wasserströmungsrichtung 66. Wie durch das Bernoulli-Gesetz beschrieben, wird die Geschwindigkeit des Wassers in dem Umwandlungsabschnitt erhöht, wodurch der Bewegungsenergiefluß erhöht wird. Eine Struktur aus Stangen 33 macht das gesamte System unter dem Wasseroberflächenspiegel an Schwimmern 32 fest. Dieses Vergrößerungsprinzip kann in Kombination mit MHD-Wandlern gemäß den Fig. 4, 5, 7, 8, 9 und 10 verwendet werden.
Eine Variante dieses Vergrößerungsprinzips, die zur Erhöhung des Bewegungsenergieflusses verwendet werden könnte, besteht in dem Venturi-Typ, siehe Fig. 12. Sie besteht grundsätzlich aus einem in Fig. 11 gezeigten Typ, wobei aber nunmehr ein zusätzlicher Diffusor mit einem divergierendem Abschnitt 68 in dem schmalsten Querschnittsgebiet des Kanals 62 angebracht ist. Der zusätzliche Diffusor 66 ist mit einem Saugrohr 67 versehen, das mit dem divergierendem Abschnitt 68 verbunden ist und sich außerhalb des Kanals 62 zu genanntem Meerwasser erstreckt. Der Wandler 61 ist in dem Saugrohr 67 plaziert.
Eine klassische Art zur Erhöhung der Wassergeschwindigkeit besteht darin, eine Gezeitenströmung zu blockieren und sie durch ein schmales Gebiet freizugeben, in dem, gemäß der Erfindung, die Wandler plaziert werden können, siehe Fig. 13. Ein MHD- Wandler 61 ist in einem Ablaßrohr 71 plaziert, das Teil der Barriere 72 ist. In diesem Ablaßrohrabschnitt ist die Wassergeschwindigkeit aufgrund der von der Barriere erzeugten Druckhöhe hoch.
Ein Hydraulikrammentyp von Bewegungsenergieverdichter ist in Fig. 14 gezeigt. Er besteht aus einem oder mehreren Hauptrohr(en) 81, in dem/denen die Gezeitenströmung 66 einen Wasserstrom induziert. Wenn eine kritische Wassergeschwindigkeit erreicht ist, werden Ventile 82 unversehens geschlossen. Der Impuls der Wassersäulen in den Rohren wird nun mit hoher Geschwindigkeit durch ein Rohr 83 mit einem relativ kleinen Querschnittsgebiet freigegeben, das den MHD-Wandler 61 umschließt. Wenn die Geschwindigkeit in den Hauptrohren 81 niedriger als ein Schwellenwert wird, öffnen sich die Ventile 82 von neuem und wiederholt sich der Prozeß. Zur Glättung der pulsweisen Ablaßströmung eines einzelnen Rammenrohres können zwei oder mehr Rohre parallel, hydraulisch durch Einwegventile 84 getrennt, plaziert werden. In der Praxis könnte die Struktur eine 3D-Erscheinung wie in Fig. 15 aufweisen.
Ein MHD-Wandler kann die Luftturbine in einer Andreau Enfield-Windturbine, siehe Figur P, ersetzen. Diese Turbine verwendet eine Fluidströmung 94, die durch die Zentrifugalkräfte in den hohlen Rotorblättern 91 in Bewegung gesetzt ist. In der Unterwasserversion wird Meerwasser durch die Rotorblätter 91, ein Maschinenhaus 92, einen Turm 93 und einen in dem Turm montierten MHD-Wandler 61 gesaugt.
Wenn der Kopf und Endteile der Wandlertypen von Fig. 9 und 10 verbunden werden, können endlose (ringförmige) Wandler erstellt werden. Die ringförmigen Wandler können an dem Außenrand eines schnelllaufenden Unterwasser-Turbinenrotors 102, siehe Fig. 17, angebracht werden. Für kleine Blattwinkel (wie sie in modernen, schnelllaufenden Turbinen angetroffen werden) ist die Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenblätter viel größer (bis zu einem Faktor 10) als die Freidampfgeschwindigkeit selbst. Folglich ist die Relativgeschwindigkeit des Wassers in Bezug auf einen ringförmigen Wandler 101 auch viel größer als die Freidampfgeschwindigkeit, wodurch Effizienz und Effektivität des MHD- Wandlers verbessert werden.
Eine Verdichtung des Bewegungsenergieflusses kann auch durch Konzentrierung des Flusses in Wirbeln zu Beginn stattfinden (Gabel, 1980). Ein Wandler könnte dann den Energiefluß aus den energetischen Wirbeln extrahieren. Diese Wirbel können unbegrenzt (im freien Raum, z. B. von einem Delta-Flügel erzeugt) siehe Fig. 18, oder begrenzt (von einer Wirbelkammer erzeugt), siehe Fig. 19, sein.
An beiden Rändern des Delta-Flügels 112 werden Spitzenwirbel 113 ausgebildet, die Energie anhäufen. Auf der äußersten stromabwärtigen Seite des Flügels sind ringförmige Wandler 111 plaziert, die die Energie in den Wirbeln in elektrische Energie umwandeln.
Der begrenzte Wirbelgenerator verwendet eine kaminartige Struktur 120 mit einem vertikalen Schlitz in der Wand 121. Unter Wirkung der Gezeitenströmung wird ein Wirbel (Zyklon) n dem Kamin erzeugt. Aufgrund des niedrigen Druckes in der Mitte des Zyklons wird Wasser durch das Zuführrohr 122, das den Wandler umschließt, in das Innere des Kamins gesaugt.

Referenzliste

Charlier, R. H, Tidal Energy, Van Nostrand Reinhold company Inc. ISBN 0-442-24425-8, New York, 1982
Farady, Experimental Researches in Electricity, 1, 1839
Gabel, M, Energy, Earth and Everyone, Energy Strategies for spaceship Earth, Anchor Books, Anchor Press/Doubleday Garden City, New York, 1980
IT Power News, The world's first practical tidal corrent turbine, No. 10, February 1993.
Philips, O. M, The prospects for magnetoyhdrodynamic ship propulsion, Journal of Ship Research, March 1962, pp. 43-51
Way, S. Electromagnetic Propulsion for Cargo Submarines, Journal of Hydronautica, Vol. 2, number 2, pp. 49-57, April 1968.

Claims

1. Magnetohydrodynamische Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie, umfassend:

- Magnetfelderzeugungsmittel (12, 13; 22, 23; 31; 44; 54) zum Erzeugen eines Magnetfeldes (B) in einem fließenden, leitfähigen Fluid, wobei die Magnetfelderzeugungsmittel eine Konstruktion aufweisen, die ein Konstruktionsvolumen umschließt, wobei besagtes Magnetfeld (B) im Gebrauch sich zumindest teilweise außerhalb besagten Konstruktionsvolumens erstreckt;

- Elektrodenmittel (11, 14, 24; 21, 24, 25; 41; 54) zum Liefern von durch besagtes fließendes leitfähiges Fluid in besagtem Magnetfeld erzeugter elektrischer Energie,

dadurch gekennzeichnet, daß besagte Magnetfelderzeugungsmittel zum Erzeugen eines wesentlichen Teils des erzeugten Magnetfeldes außerhalb besagten Konstruktionsvolumens gestaltet sind und besagte Elektrodenmittel zum Umwandeln von Energie aus dem an der Außenseite des Konstruktionsvolumens fließenden leitfähigen Fluid in Kombination mit besagtem Teil des Magnetfeldes außerhalb besagten Konstruktionsvolumens in besagte elektrische Energie gestaltet sind.

2. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes Magnetfeldererzeugungsmittel mehrere Stabmagnete (12, 13) umfaßt und besagte Elektrodenmittel Stabelektroden (11, 14) umfassen, wobei besagte Stabmagnete und Stabelektroden in einer sich abwechselnden Abfolge zylindrisch angeordnet sind.

3. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfelderzeugungsmittel zumindest eine Spule (22; 44; 54) umfaßt, die zum Empfangen von elektrischem Strom und Erzeugen besagten Magnetfeldes gestaltet ist.

4. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Spule (22) in einer rechteckigen Gestalt angeordnet ist.

5. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Spule (22) in einer gewundenen Form angeordnet ist.

6. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Zylinder (42) mit einer Außenseite, an der besagte Elektrodenmittel (41) angebracht sind, und einer Innenseite umfaßt, an der besagte wenigstens eine Spule (44) angeordnet ist.

7. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Magnetkern (45) umfaßt, wobei die wenigstens eine Spule mehrere besagten Magnetkern (45) umgebende Spulen (44) umfaßt.

8. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfelderzeugungsmittel eine Reihe von Spule (54) umfaßt, wobei jede Spule mit einem elektrischen Strom versehen ist, der zum elektrischen Strom in benachbarten Spulen außer Phase ist, wobei die Elektrodenmittel von besagter Reihe von Spulen gebildet werden, um basierend auf dem Prinzip der Selbstinduktion elektrische Energie zu liefern.

9. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Spule aus einem Material hergestellt ist, das auf einer vorab festgelegten Temperatur supraleitend ist.

10. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einem Bewegungsenergievergrößerungsmittel (62; 71, 72; 81, 82, 83; 91, 92, 93; 102; 112; 121, 122) zum Erhöhen der kinetischen Energie der fließenden, leitfähigen Flüssigkeit versehen ist.

11. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsenergievergrößerungsmittel einen mit einem sanften Einlaßabschnitt (63) versehenen Kanal (62), einen Halsabschnitt (64), der mit besagtem Einlaßabschnitt verbunden ist und besagtes Magnetfelderzeugungsmittel aufnimmt, und einen mit besagtem Halsabschnitt (64) verbundenen Diffusorabschnitt (65) mit divergierendem Ende umfaßt.

12. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsenergievergrößerungsmittel einen zusätzlichen Diffusor (66) mit einem divergierendem Abschnitt (68) in dem Halsabschnitt und einem Saugrohr (67) umfaßt, das mit besagtem divergierenden Abschnitt (68) verbunden ist und sich außerhalb des Kanals (62) zum Ansaugen von leitfähiger Flüssigkeit erstreckt, wobei besagtes Saugrohr (67) besagtes Magnetfelderzeugungsmittel aufnimmt.

13. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsenergievergrößerungsmittel eine Barriere (72) zum Blockieren des Flusses besagten Fluids umfaßt, wobei ein Ablaßrohr (71) in einer Öffnung in besagter Barriere (72) angeordnet ist und besagtes Magnetfelderzeugungsmittel aufnimmt.

14. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsenergievergrößerungsmittel zumindest ein Hauptrohr (81) umfaßt, wobei zumindest ein divergierender Auslaßabschnitt mit besagtem zumindest einen Hauptrohr verbunden ist und ein Ventil umfaßt, das schließt, wenn die Fluidgeschwindigkeit einen vorab festgelegten kritischen Wert erreicht, wobei ein Auslaßrohr (83) mit einem relativ kleinen Querschnittsgebiet mit besagtem zumindest einen Hauptrohr (81) verbunden ist, um das Fluid hinauszulassen, wenn besagtes Ventil geschlossen ist, wobei besagtes Auslaßrohr (83) besagtes Magnetfelderzeugungsmittel aufnimmt.

15. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, die mit Schwimmern (32) versehen ist, die auf besagter Flüssigkeit schwimmfähig sind.

16. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsenergievergrößerungsmittel eine Turbine mit hohlen Rotorblättern (91) umfaßt, die während einer Drehung Fluid ansaugen, wobei die Rotorblätter (91) mit einem Maschinenhaus (92) verbunden sind, das von einem Turm (93) getragen wird, der besagtes Magnetfelderzeugungsmittel enthält.

17. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsenergievergrößerungsmittel eine Turbine mit mehreren Rotorblättern (102) umfaßt, wobei sich die Magnetfelderzeugungsmittel (101) entlang eines von besagten Rotorblättern (102) getragenen Kreises erstrecken.

18. Magnetohydrodynamische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsenergievergrößerungsmittel ein Mittel (112; 120, 121, 122) zum Konzentrieren des Flusses in Wirbeln umfaßt, wobei das Magnetfelderzeugungsmittel in besagten Wirbeln angeordnet ist.

19. Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie mit einer magnetohydrodynamische Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das die Schritte umfaßt:

Anordnen der Vorrichtung in einem leitfähigen Fluid, wie Meerwasser, das in einer gewissen Richtung fließt, so daß während des Betriebs das Magnetfelderzeugungsmittel ein Magnetfeld mit zumindest einer zu besagter Richtung senkrechten Komponente erzeugt.