DE10205531A1

DE10205531A1 - Process for obtaining energy from a flowing fluid, involves using an obstruction to create vortices in the flow to oscillate a connected body

Info

Publication number: DE10205531A1
Application number: DE2002105531
Authority: DE
Inventors: Kai Wissner
Original assignee: Kai Wissner
Current assignee: WISSNER, KAI, 10407 BERLIN, DE
Priority date: 2002-02-11
Filing date: 2002-02-11
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2022-02-12
Also published as: DE10205531B4

Abstract

A process for obtaining energy from a flowing fluid (1) inserts an obstructing body (2) in the flow to create vortices (5,6) on both sides which cause a connecting body (7) behind the obstruction to oscillate so that electrical or mechanical energy can be generated. An Independent claim is also included for a device for the above process.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus einem strömenden Fluidum. Speziell geht es darum, einem strömenden Fluidum direkt Energie zu entziehen, um diese anderweitig zu nutzen. Bezogen auf Wasserkraft bedeutet dies, dass es um die Energiegewinnung direkt aus dem strömenden Wassers eines Bachs oder Flusses geht und nicht darum, Wasser zunächst aufzustauen, um dann die potentielle Energie des über die Staustufe hinweg herabfallenden Wassers zu nutzen. The invention relates to a method and an apparatus for the extraction of Energy from a flowing fluid. It is specifically about a flowing fluid withdraw energy directly in order to use it for other purposes. Related to hydropower this means that it is about extracting energy directly from the flowing water of a Bach or river, and not about first damming water, then the to use the potential energy of the water falling over the dam.

Als Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art sind unterschlägige Wasserräder bekannt, die jedoch bei größerer Dimensionierung weit oberhalb des Wasserspiegels aufbauen. Weiterhin ist ein sogenanntes Transverpello eines Herrn Dipl.-Ing. Lutz Kroeber bekannt, bei dem ein Flügelelement durch strömendes Wasser seitlich hin und her ausgelenkt wird. Um die Richtungsumkehr der seitlichen Auslenkung des Flügelelements zu erreichen, muss das Profil des Flügelelements variiert werden, was gerade bei größeren Baueinheiten ein Problem darstellt. Zudem setzt ein guter Wirkungsgrad des bekannten Transverpello eine laminare Umströmung des Flügelelements voraus. Lashing water wheels are known as a device of the type described in the introduction, which, however, build up far above the water level with larger dimensions. Furthermore, a so-called transverpello by Dipl.-Ing. Lutz Kroeber known at a wing element is laterally deflected by flowing water. Around to achieve the reversal of the direction of the lateral deflection of the wing element Profile of the wing element can be varied, which is precisely the case with larger structural units Represents problem. In addition, a good efficiency of the well-known Transverpello is one laminar flow around the wing element ahead.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus einem strömenden Fluidum aufzuzeigen, die die Nachteile des Stands der Technik überwinden. The invention has for its object a method and an apparatus for Obtaining energy from a flowing fluid to demonstrate the disadvantages of Overcome the state of the art.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 4 gelöst. According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1 and solved by a device according to claim 4.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3, bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung in den Unteransprüchen 5 bis 10 beschrieben. Preferred embodiments of the method are in subclaims 2 and 3, preferred embodiments of the device in subclaims 5 to 10 described.

Die Erfindung nutzt aus, dass sich von umströmten Körpern unter turbulenten Strömungsbedingungen beidseitig Wirbel ablösen, wobei diese Wirbelablösungen häufig nicht auf beiden Seiten gleichzeitig erfolgen, sondern abwechselnd von der einen und dann von der anderen Seite. Dabei kann eine periodische Abfolge der Wirbel gegeben sein. Dies ist für die vorliegende Erfindung zwar vorteilhaft aber nicht zwingend. Die dem Umströmungskörper nachlaufenden Wirbel, d. h. die sogenannte Karmannsche Wirbelstraße, werden bei der Erfindung genutzt, um Arbeit zu verrichten, d. h. um die gewünschte elektrische oder kinetische Energie zu gewinnen. Die Arbeit verrichten die Wirbel bei der Erfindung an dem Auslenkungskörper, der in dem strömenden Fluidum hinter dem Strömungskörper angeordnet ist und der durch die auf ihn auftreffenden Wirbel des Fluidums in gegenläufigen Richtungen ausgelenkt und/oder verformt wird. Diese Auslenkung bzw. Verformung wird bei der Erfindung abgegriffen, um die elektrische bzw. kinetische Energie zu gewinnen. Der Abgriff kann mechanisch erfolgen. Es kann sich aber auch um einen elektromagnetischen Abgriff handeln. The invention takes advantage of the fact that flow around bodies under turbulent Flow conditions detach eddy on both sides, whereby these eddy separations frequently not on both sides at the same time, but alternately from one to the other from the other side. There can be a periodic sequence of vertebrae. This is advantageous for the present invention but not essential. The one Flow around trailing vortex, d. H. the so-called Karmann vortex street, are used in the invention to do work, i.e. H. to the one you want to gain electrical or kinetic energy. The work is doing the work at Invention on the deflection body, which is in the flowing fluid behind the Flow body is arranged and by the vortex of the fluid impinging on it is deflected and / or deformed in opposite directions. This deflection or Deformation is tapped in the invention to the electrical or kinetic energy to win. The tap can be made mechanically. But it can also be one act electromagnetic tap.

Bislang wurde davon ausgegangen, dass das strömende Fluidum eine strömende Flüssigkeit ist. Hierbei handelt es sich auch um den bevorzugten Fall der vorliegenden Erfindung. Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch mit einer Gasströmung realisierbar. So far it has been assumed that the flowing fluid is a flowing liquid is. This is also the preferred case of the present invention. In principle, however, the invention can also be implemented with a gas flow.

Der Umströmungskörper kann einen unterschiedlichen Querschnitt haben. Bevorzugt ist ein kreisförmiger Querschnitt, um etwa gleiche Voraussetzungen für die Ablösung der Wirbel auf beiden Seiten des Umströmungskörpers zu schaffen. The flow body can have a different cross section. A is preferred circular cross-section, about the same prerequisites for the detachment of the vertebrae to create both sides of the flow body.

Der Auslenkungskörper kann eine sich von dem Umströmungskörper nach hinten erstreckende verformbare Wand aufweisen, die sich zwischen den sich wechselseitig von den Seiten des Umströmungskörpers ablösenden Wirbeln hindurchschlängelt und dabei an jedem Punkt ihrer Längserstreckung ständig hin und her bewegt wird. The deflection body can extend from the flow body to the rear extendable deformable wall which alternate between the the vortices detaching the sides of the flow body and snaking through every point of its longitudinal extension is constantly moved back and forth.

Der Auslenkungskörper kann in seinem vorderen Bereich um eine parallel zu dem Umströmungskörper verlaufenden Schwenkachse verschwenkbar gelagert sein. Diese Schwenkbewegung kann dann mit Hilfe beispielsweise einer Pleuelstange in eine Drehbewegung umgesetzt werden, um kinetische Energie abzugreifen. Bei dem schwenkbar gelagerten Auslenkungskörper kann es sich um einen in sich verformbaren Auslenkungskörper aber auch um einen starren Auslenkungskörper handeln. Besonders bevorzugt für den Ort der Lagerung des Auslenkungskörpers ist der Umströmungskörper. The deflection body can be in its front area by a parallel to the Swing axis extending around the flow body can be pivoted. This Pivoting movement can then be carried out in a connecting rod, for example Rotary motion can be implemented to tap kinetic energy. With the swivel stored deflection body can be a deformable in itself Deflection body but also act as a rigid deflection body. Especially the flow body is preferred for the location of the bearing of the deflection body.

Der Auslenkungskörper kann auch in einer Durchbrechung einer sich von dem Umströmungskörper nach hinten erstreckenden starren Wand vorgesehen sein. Die dem Umströmungskörper nachlaufenden Wirbel verursachen unterschiedliche Druckverhältnisse auf beiden Seiten der Wand, so dass es eine Querströmung durch deren Durchbrechung gibt, die den Auslenkungskörper beaufschlagt. The deflection body can also be in an opening different from that Flow around the rigid wall extending to the rear may be provided. The one Vortices trailing around the flow body cause different pressure conditions on both sides of the wall so that there is a cross flow through its opening there that acts on the deflection body.

An dem Auslenkungskörper oder einem mit ihm mechanisch verbundenen Element können Permanentmagnete oder Induktionsspulen einer elektrischen Maschine angeordnet sein, um elektrische Spannungen bzw. Ströme zu erzeugen. Diese Spannung bzw. Ströme sind auch dann nutzbar, wenn sie mit ungeordneter Frequenz und Amplitude auftreten. Sie können ohne weiteres mit bekannter Technik beispielsweise für eine Netzeinspeisung aufbereitet werden. On the deflection body or an element mechanically connected to it Permanent magnets or induction coils of an electrical machine can be arranged to to generate electrical voltages or currents. These voltages or currents are too usable if they occur with disordered frequency and amplitude. You can easily processed with known technology, for example for a network feed become.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben, dabei zeigt The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and described, showing

Fig. 1 das Grundprinzip der Erfindung in einer Ansicht auf eine Strömung von oben, Fig. 1 illustrates the basic principle of the invention in a view of a flow from above,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 von der Seite, Fig. 2 shows the arrangement according to Fig. 1 from the side,

Fig. 3 eine erste konkrete Ausführungsform der neuen Vorrichtung in einer Ansicht von oben, Fig. 3 shows a first concrete embodiment of the new device in a view from above,

Fig. 4 die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in einer Seitenansicht, Fig. 4 shows the embodiment of the device according to Fig. 3 in a side view;

Fig. 5 eine Ansicht von oben auf eine weitere Ausführungsform der neuen Vorrichtung, Fig. 5 is a view from above of a further embodiment of the new apparatus,

Fig. 6 eine Ansicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 5 von der Seite, Fig. 6 shows a view of the device according to Fig. 5 from the side,

Fig. 7 eine Ansicht von oben auf eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung, Fig. 7 is a top view of a further embodiment of the device,

Fig. 8 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 7 und Fig. 8 is a side view of the device of FIGS. 7 and

Fig. 9 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung von oben. Fig. 9 is a view of another embodiment of the device from above.

In den Fig. 1 und 2 ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung dargestellt. In einer Strömung 1, die sich über die gesamte Breite des Zeichnungsblattes der Fig. 1 erstrecken möge, ist ein Umströmungskörper 2 angeordnet. Der Umströmungskörper 2 ist zylinderförmig. Er kann aber auch eine andere Querschnittsgestalt haben und auch einen über seine Länge variablen Querschnitt, wobei letzteres aber nicht bevorzugt ist. Von beiden Seiten 3 und 4 des Umströmungskörpers 2 lösen sich Wirbel 5 und 6 ab, wobei das Ablösen der Wirbel unter für die Anwendung der Erfindung geeigneten Strömungsbedingungen wechselweise erfolgt. D. h., hinter dem Umströmungskörper 2 folgen Wirbel 5 und 6 zeitlich aufeinander. Eine exakt periodische Abfolge ist für die Erfindung aber nicht erforderlich. Durch die Wirbel 5 und 6 wird ein Auslenkungskörper 7, der hier eine seitlich verformbare Wand 8 ist, in entgegengesetzten Richtungen verformt, so dass sich die verformbare Wand 8 immer zwischen den Wirbeln 5 und 6 hindurchschlängelt. Diese Verformung ist eine unmittelbare Folge der kinetischen Energie der Strömung 1. Die mit der Verformung einhergehenden Bewegungen des Auslenkkörpers 7 können abgegriffen werden, um Energie aus der Strömung 1 zu gewinnen, d. h. kinetische oder elektrische Energie. Die Fig. 3 und 4 skizzieren eine Ausführungsvariante für das Abgreifen der Auslenkung des Auslenkkörpers 7, bei dem es sich um eine verformbare Wand 8 handelt. Das vordere Ende 9 des Auslenkkörpers 7 ist hier an dem Umströmungskörper 2 gelagert, wobei ein Lagerelement 10 den Umströmungskörper 2 ringförmig umschließt. Durch die Auslenkung des Auslenkkörpers 7 wird das Lagerelement 10 in Richtung von Pfeilen 11 über einen gewissen Winkel um den Umströmungskörper 2 hin und her gedreht. Diese Drehbewegung kann über eine mechanische Anordnung oder eine elektrische Maschine zur Gewinnung von kinetischer bzw. elektrischer Energie abgegriffen werden. In Figs. 1 and 2, the principle of the present invention is shown. A flow body 2 is arranged in a flow 1 , which may extend over the entire width of the drawing sheet of FIG. 1. The flow body 2 is cylindrical. However, it can also have a different cross-sectional shape and also a cross-section that is variable over its length, although the latter is not preferred. Vortices 5 and 6 detach from both sides 3 and 4 of the flow body 2 , the detachment of the vortices taking place alternately under flow conditions suitable for the application of the invention. That is, behind the flow body 2 , vortices 5 and 6 follow one another in time. However, an exact periodic sequence is not necessary for the invention. By means of the vertebrae 5 and 6 , a deflection body 7 , which here is a laterally deformable wall 8, is deformed in opposite directions, so that the deformable wall 8 always meanders between the vertebrae 5 and 6 . This deformation is a direct consequence of the kinetic energy of flow 1 . The movements of the deflecting body 7 associated with the deformation can be tapped in order to obtain energy from the flow 1 , ie kinetic or electrical energy. FIGS. 3 and 4 outline a variant embodiment for the tapping of the deflection of the Auslenkkörpers 7, wherein it is a deformable wall 8. The front end 9 of the deflection body 7 is mounted here on the flow body 2 , a bearing element 10 enclosing the flow body 2 in a ring. Due to the deflection of the deflection body 7 , the bearing element 10 is rotated back and forth over a certain angle in the direction of arrows 11 around the flow body 2 . This rotary movement can be tapped via a mechanical arrangement or an electrical machine for the generation of kinetic or electrical energy.

Die in Fig. 4, 5 und 6 skizzierte Vorrichtung weist im Anschluss an den Umströmungskörper 2 eine starre Wand 12 auf. Die Wand 12 umfasst eine Durchbrechung 13, in der der Auslenkkörper 7 angeordnet ist. Die Wirbel 5 und 6 bewirken über die Durchbrechung 13 hinweg laufenden Druckschwankungen über die Wand 12, die den Auslenkkörper 17 in der Durchbrechung 13 seitlich hin- und herbewegen, was durch einen Doppelpfeil 14 angedeutet ist. Diese Bewegung kann wieder abgegriffen werden. The device outlined in FIGS. 4, 5 and 6 has a rigid wall 12 following the flow body 2 . The wall 12 comprises an opening 13 in which the deflection body 7 is arranged. The vortices 5 and 6 cause pressure fluctuations across the opening 13 across the wall 12 , which laterally move the deflection body 17 back and forth in the opening 13 , which is indicated by a double arrow 14 . This movement can be picked up again.

Gemäß Fig. 7 und 8 ist hinter dem Umströmungskörper 2 ein starrer Auslenkkörper 7 um eine parallel zu dem Umströmungskörper 2 verlaufende Schwenkachse 15 schwenkbar gelagert. Durch die dem Umströmungskörper 2 nachlaufenden Wirbel 5 und 6 wird der Auslenkkörper 15 in Richtung eines Schwenkdoppelpfeils 16 hin- und herbewegt. Der starre Auslenkkörper 7 gemäß den Fig. 7 und 8 weist im Querschnitt die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aus, das an seiner Spitze schwenkbar gelagert ist. According to Fig. 7 and 8 is pivotally mounted about an axis extending parallel to the deflector body 2 pivot axis 15 behind the flow-around body 2 is a rigid deflection body 7. Due to the vortices 5 and 6 following the flow body 2 , the deflection body 15 is moved back and forth in the direction of a double pivot arrow 16 . The rigid deflecting body 7 according to FIGS . 7 and 8 has the shape of an isosceles triangle in cross section, which is pivotably mounted at its tip.

Gemäß Fig. 9 ist wieder eine verformbare Wand 8 als Auslenkkörper 7 hinter dem Umströmungskörper 2 vorgesehen. Hier erfolgt der Abgriff der Verformung über Induktionspulen 17, die an der verformbaren Wand 8 angeordnet sind und die sich in einem äußeren magnetischen Gradientenfeld aufgrund der Wirbel 5 und 6 hin- und herbewegen. Entsprechend wird in den Induktionsspulen 17 bei dieser Bewegung ein Strom induziert, der abgegriffen und aufbereitet werden kann, um elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. According to FIG. 9, a deformable wall 8 is again provided as a deflection body 7 behind the flow body 2 . Here, the deformation is picked up by induction coils 17 which are arranged on the deformable wall 8 and which move back and forth in an external magnetic gradient field due to the eddies 5 and 6 . Correspondingly, a current is induced in the induction coils 17 during this movement, which current can be tapped and processed in order to provide electrical energy.

Umgekehrt kann die verformbare Wand 8 auch permanentmagnetisch ausgebildet sein oder Permanentmagnete tragen oder auch permanenterregte Spulen, um in ortsfest neben ihr angeordneten, hier nicht dargestellten Induktionsspulen Ströme zu induzieren. In beiden Fällen werden Amplitude und Frequenz der Ströme stark abhängig von den aktuellen Bedingungen der Strömung 1 sein, so dass eine Aufbereitung nötig ist, welche aber mit bekannten Techniken kein Problem darstellt. Conversely, the deformable wall 8 can also be designed to be permanently magnetic or can carry permanent magnets or also permanently excited coils in order to induce currents in induction coils which are arranged in a stationary manner next to it and are not shown here. In both cases, the amplitude and frequency of the currents will be strongly dependent on the current conditions of flow 1 , so that preparation is necessary, but this is not a problem with known techniques.

Es ist festzuhalten, dass der umströmte Körper, bei dem es sich um einen langgestreckten Körper mit über seine Längserstreckung konstantem Querschnitt handeln kann, nicht nur vertikal in eine Strömung eingetaucht, sondern auch horizontal in der Strömung angeordnet werden kann. An der grundsätzlichen Funktion der vorliegenden Erfindung ändert sich hierdurch nichts, da sich auch dann Wirbel von beiden Seiten des Umströmungskörpers ablösen, die auf den Auslenkkörper einwirken und diesen auslenken bzw. verformen. Bezugszeichenliste 1 Strömung
2 Umströmungskörper
3 Seite
4 Seite
5 Wirbel
6 Wirbel
7 Auslenkkörper
8 verformbare Wand
9 vorderes Ende
10 Lagerelement
11 Doppelpfeil
12 starre Wand
13 Durchbrechung
14 Doppelpfeil
15 Schwenkachse
16 Doppelpfeil
17 Induktionsspule
It should be noted that the flow around the body, which can be an elongate body with a constant cross section over its longitudinal extent, can not only be immersed vertically in a flow, but can also be arranged horizontally in the flow. This does not change the basic function of the present invention, since vortices also detach from both sides of the flow-around body, which act on the deflection body and deflect or deform it. Reference list 1 flow
2 flow body
3 page
4 page
5 vertebrae
6 vertebrae
7 deflection body
8 deformable wall
9 front end
10 bearing element
11 double arrow
12 rigid wall
13 breakthrough
14 double arrow
15 swivel axis
16 double arrow
17 induction coil

Claims

1. A method for obtaining energy from a flowing fluid comprising the steps:

- Arranging at least one flow body ( 2 ) in the flowing fluid, whereby vortices ( 5 , 6 ) of the fluid separate at different times from both sides (3, 4) of the flow body ( 2 );

- Arranging at least one deflection body ( 7 ) in the flowing fluid behind the flow body ( 2 ), which is deflected and / or deformed in opposite directions by the vortices ( 5 , 6 ) of the fluid impinging on it. and

- Tapping the deflection or deformation of the deflection body ( 7 ) for the production of electrical or kinetic energy.

2. The method according to claim 1, characterized in that the deflection or deformation of the deflection body ( 7 ) is picked up electromagnetically for the production of electrical energy.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the fluid has a Liquid is.

4. Device for extracting energy from a flowing fluid with:
a flow body ( 2 ) in the flowing fluid, wherein vortices ( 5 , 6 ) of the fluid separate at different times from both sides of the flow body ( 7 );
at least one deflection body ( 7 ) in the flowing fluid behind the flow body ( 2 ), which is deflected and / or deformed in opposite directions by the vortices ( 5 , 6 ) of the fluid striking it; and
Means for tapping the deflection or deformation of the deflection body ( 7 ) for the purpose of obtaining electrical or kinetic energy.

5. The device according to claim 4, characterized in that the flow body ( 2 ) has a circular cross section.

6. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the deflection body ( 7 ) has a deformable wall ( 8 ) extending from the flow body ( 2 ) to the rear.

7. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the deflection body ( 7 ) is pivotally mounted in its front region about a pivot axis ( 15 ) running parallel to the flow body ( 2 ).

8. The device according to claim 7, characterized in that the deflection body (79) is mounted on the flow body ( 2 ).

9. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the deflection body ( 7 ) is provided in an opening ( 13 ) of a rigid wall ( 12 ) extending from the flow body ( 2 ) to the rear.

10. Device according to one of claims 4 to 9, characterized in that permanent magnets or induction coils ( 17 ) of an electrical machine are arranged on the deflection body ( 7 ) or an element mechanically connected to it.