DE102020129453A1 - Wind turbine with device for emitting water into the atmosphere - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird eine Windenergieanlage mit Einrichtung zur Wasseremission in die Atmosphäre. Die Windenergieanlage verfügt über einen Turm, eine drehbar gelagerte Gondel mit einem Generator auf dem Turm, einen Rotor mit horizontaler Achse, wenigstens ein Rotorblatt (10) das an der Gondel angeordnet ist, wenigstens eine elektrisch betriebene Wasserpumpe (42), die am Fuß des Turms angeordnet ist, und über eine Steigleitung (44)durch die im Turm Wasser von der Wasserpumpe (42) bis zur Höhe der Gondel führbar ist. Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Drehdurchführung (50) für das Wasser aus der Steigleitung in die Gondel, eine Wasserleitung (46) in der Gondel zur Führung des Wassers aus der Steigleitung in die Nabe des Rotors, wenigstens eine Wasserhauptleitung (47), die von der Nabe des Rotors in jedes der Rotorblätter (10) bis jeweils zur Rotorblattspitze führt, ein Düsenfeld (48) auf jedem Rotorblatt (10) angeordnet auf der Saugseite (13) des Rotorblatts (10) sowie Wassernebenleitungen (60) abzweigend von den Wasserhauptleitungen (47) in den Rotorblättern (10) zu den Düsen der Düsenfelder (48) vorgesehen sind.A wind turbine with a device for emitting water into the atmosphere is described. The wind turbine has a tower, a rotatably mounted nacelle with a generator on the tower, a rotor with a horizontal axis, at least one rotor blade (10) which is arranged on the nacelle, at least one electrically operated water pump (42) which is located at the foot of the Tower is arranged, and via a riser (44) through which in the tower water from the water pump (42) can be guided up to the height of the gondola. The technical solution described is characterized in that a rotary union (50) for the water from the riser into the nacelle, a water line (46) in the nacelle for guiding the water from the riser into the hub of the rotor, at least one main water line ( 47) which leads from the hub of the rotor into each of the rotor blades (10) up to the respective rotor blade tip, a nozzle array (48) on each rotor blade (10) arranged on the suction side (13) of the rotor blade (10) and water side lines (60) are provided branching off from the main water lines (47) in the rotor blades (10) to the nozzles of the nozzle fields (48).

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage (WEA) oder auch Windkraftanlage (WKA) ausgebildet zur Emission von Wasser in die Atmosphäre.The invention relates to a wind energy plant (WEA) or wind power plant (WKA) designed to emit water into the atmosphere.

Eine solche gattungsgemäße WEA ist beispielsweise aus der Druckschrift AU 2020100258 A4 bekannt. Unter anderem ist dort vorgesehen, Meerwasser über eine Steigleitung im Turm der WEA mit horizontaler Rotorachse bis zu einer Düsenanordnung knapp unterhalb der - typisch drehbar gelagerten - WEA-Gondel zu führen. Die Düsen sind dabei den Turm umgebend angeordnet, und es wird die Düse geöffnet, die den Wasseraustritt in Windrichtung ermöglicht. Das Wasser wird dabei in einem 45°-Winkel gegen die Horizontale versprüht bis weit über die Gesamthöhe der WEA hinaus. Im Zuge des Versprühens bilden sich Wassertropfen verschiedener Größen; ein Anteil des Wassers wird verdunstet, ein weiterer Anteil wird vernebelt und ist vermutlich am ehesten Albedo-wirksam, und ein dritter Anteil umfasst große Tropfen, die alsbald zur Oberfläche zurückfallen. Bei dieser Technik steht keine Trennung von Salz und Wasser im Vordergrund; der größte Teil des versprühten Wassers bleibt Salzwasser.Such a generic wind turbine is, for example, from the publication AU2020100258A4 famous. Among other things, it is planned there to lead seawater via a riser in the tower of the wind turbine with a horizontal rotor axis to a nozzle arrangement just below the wind turbine nacelle, which is typically rotatably mounted. The nozzles are arranged around the tower and the nozzle that allows the water to exit in the direction of the wind is opened. The water is sprayed at a 45° angle to the horizontal far beyond the total height of the wind turbine. In the course of spraying, water droplets of various sizes are formed; a proportion of the water is evaporated, another proportion is aerosolized and is probably most albedo-effective, and a third proportion comprises large droplets that soon fall back to the surface. This technique does not focus on the separation of salt and water; most of the sprayed water remains salt water.

Die Informationen aus der AU 2020100258 A4 lassen den Schluss zu, dass nennenswerte Energiemengen gebraucht werden um Pumpen, die das Wasser unter Druck setzen und versprühen, motorisch anzutreiben. Es wird lediglich die Leistung, die von der WEA produziert wird, genutzt, um das System zu betreiben. Das Wasser muss in einem harten Strahl im 45° Winkel nach oben geschossen werden, denn keine im Nachlauf einer WEA vorhandene Luftströmung würde den Wassernebel von unterhalb der Gondel auf über die Gesamthöhe der WEA transportieren. Der Energieeinsatz für eine Fontäne, die Wasser über 100 m in die Höhe schießen kann, dürfte beträchtlich sein. Der Energieertrag der WEA wird folglich unweigerlich sinken.The information from the AU2020100258A4 allow the conclusion that significant amounts of energy are needed to drive pumps that pressurize and spray the water. Only the power produced by the wind turbine is used to operate the system. The water must be shot upwards in a hard jet at an angle of 45°, because no air flow present in the wake of a wind turbine would transport the water mist from below the nacelle to over the entire height of the wind turbine. The energy input for a fountain that can shoot water more than 100 m high is likely to be considerable. As a result, the energy yield of the wind turbines will inevitably decrease.

Zum weiteren Stand der Technik zählen windbetriebene Wassereintragssysteme, deren Zweck im Wassereintrag in die Atmosphäre, nicht aber in der Energiegewinnung liegt. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift US 2012/006908 A1 ein System zur Dissipation von Hurrikans, das aus einer Mehrzahl von Türmen in einem Gebiet besteht und bei Annäherung eines Sturms dessen Windenergie dazu nutzt, Wasser mit Luft zu vermischen. Durch das Versprühen von Kaltwasser in die Luft soll dem Sturm weitere Energie durch Kühlung entzogen werden.Further prior art includes wind-powered water intake systems, the purpose of which is to bring water into the atmosphere, but not to generate energy. For example, the reference describes U.S. 2012/006908 A1 a hurricane dissipation system consisting of a plurality of towers in an area that uses wind energy to mix water with air as a storm approaches. By spraying cold water into the air, further energy is to be extracted from the storm through cooling.

Weiterhin ist aus der Druckschrift ES 2024097 A6 ein System zur Verdunstungsunterstützung für trockenzulegende Reservoirs - z.B. Baugruben, Baggerseen - zu entnehmen. Das System umfasst eine Mehrzahl von Vertikalrotoren (Rotoren mit Vertikalachse), die jeweils einzeln auf einer schwimmenden Plattform montiert sind. Angeordnet und verankert auf der Wasseroberfläche des Reservoirs nutzen diese Vorrichtungen Windenergie, um das Wasser des Reservoirs in die Luft zu schießen und so die Verdunstung des Wassers durch Sonneneinstrahlung zu beschleunigen.Furthermore, from the pamphlet ES 2024097 A6 a system to support evaporation for reservoirs that need to be drained - e.g. excavation pits, quarry ponds. The system includes a plurality of vertical (vertical-axis) rotors, each individually mounted on a floating platform. Positioned and anchored on the reservoir's water surface, these devices use wind energy to propel the reservoir's water into the air, thus accelerating the evaporation of the water by solar radiation.

Die vorgenannten Systeme erzeugen keine elektrische Energie und zielen auf die Luftbefeuchtung vorwiegend in ihrer näheren Umgebung ab.The aforementioned systems do not generate any electrical energy and are aimed at humidifying the air primarily in their immediate vicinity.

Wald-, Busch- und Moorbrände werden durch Trockenheit und starke Winde begünstigt. Buschbrände sind in vielen Regionen der Erde, z.B. in Australien, ein normales, jährlich wiederkehrendes Phänomen zur Verjüngung der Natur. Die australischen Buschbrände sind jedoch extrem ausgefallen und außer Kontrolle geraten und haben - genauso wie die ausufernden Waldbrände in Kalifornien in 2020 - große öffentliche Aufmerksamkeit erregt. Wenngleich nicht so spektakulär wie in Australien, so ist doch zu beobachten, dass Wald- und Moorbrände auch in Deutschland bedingt durch den Klimawandel zunehmen.Forest, bush and moor fires are favored by drought and strong winds. In many regions of the world, e.g. in Australia, bush fires are a normal, annually recurring phenomenon to rejuvenate nature. However, the Australian bushfires have become extremely out of control and - like the rampant California wildfires of 2020 - have attracted a great deal of public attention. Although not as spectacular as in Australia, it can be observed that forest and moor fires are also increasing in Germany due to climate change.

Die Druckschrift GR 1005434 B skizziert als ein mögliches Verfahren zur Bekämpfung und Eindämmung von Waldbränden das Versprühen und Vernebeln von Wasser in der unteren Luftschicht und den Transport des Sprühnebels mit dem Wind zum Brandherd. Die Idee ist dabei, über größere Strecken hinweg auch für Menschen unzugängliches Gelände mit Löschwasser aus der Luft zu versorgen. Allerdings erscheinen die vorgeschlagenen Mittel, nämlich ein Tankwagen und eine Art bodenbasierter Wasserkanone, als nicht sehr tauglich für die Bekämpfung von großen Bränden, die sich über viele Quadratkilometer erstrecken können.The pamphlet GR 1005434B outlines the spraying and fogging of water in the lower air layer and the transport of the spray mist with the wind to the seat of the fire as a possible method of fighting and containing forest fires. The idea is to supply extinguishing water from the air over long distances, even in areas that are inaccessible to humans. However, the proposed means, namely a tanker truck and some kind of ground-based water cannon, do not appear to be very suitable for fighting large fires that can spread over many square kilometers.

Vor diesem Hintergrund und in Anerkennung der Tatsache, dass der Energieertrag einer WEA die wesentliche wirtschaftliche Motivation für WEA-Hersteller und -Betreiber bleiben wird, stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Windkraftanlage so auszubilden, dass sie ohne wesentlichen Ertragsverlust auch zur Verdunstung von Wasser und zum ggf. kontinuierlichen Wassereintrag in die untere Atmosphäre zwecks Wassertransport mit dem Wind geeignet ist.Against this background and in recognition of the fact that the energy yield of a wind turbine will remain the main economic motivation for wind turbine manufacturers and operators, the invention sets itself the task of designing a wind turbine in such a way that it can also evaporate water without any significant loss of yield and is suitable for continuous water entry into the lower atmosphere for the purpose of transporting water with the wind.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Windenergieanlage mit Einrichtung zur Wasseremission in die Atmosphäre umfassend einen Turm, eine drehbar gelagerte Gondel mit einem Generator auf dem Turm, einen Rotor mit horizontaler Achse und wenigstens einem Rotorblatt angeordnet an der Gondel, wenigstens eine elektrisch betriebene Wasserpumpe angeordnet am Fuß des Turms, eine Steigleitung im Turm Wasser führend von der Wasserpumpe bis zur Höhe der Gondel, gekennzeichnet durch

  1. a. eine Drehdurchführung für das Wasser aus der Steigleitung in die Gondel;
  2. b. eine Wasserleitung in der Gondel zur Führung des Wassers aus der Steigleitung in die Nabe des Rotors;
  3. c. wenigstens eine Wasserhauptleitung von der Nabe des Rotors in jedes der Rotorblätter bis jeweils zur Rotorblattspitze;
  4. d. ein Düsenfeld auf jedem Rotorblatt angeordnet auf der Saugseite des Rotorblatts;
  5. e. Wassernebenleitungen abzweigend von den Wasserhauptleitungen in den Rotorblättern zu den Düsen der Düsenfelder.
The object is achieved by a wind turbine with a device for emitting water into the atmosphere comprising a tower, a rotatably mounted nacelle with a generator on the tower, a rotor with a horizontal axis and at least one rotor blade arranged on the nacelle, at least one electrically operated water pump arranged at the base of the tower, a riser pipe in the tower carrying water from the water pump to the height of the nacelle, characterized by
  1. a. a swivel for the water from the riser to the nacelle;
  2. b. a water pipe in the nacelle for conducting the water from the riser into the hub of the rotor;
  3. c. at least one water main from the hub of the rotor into each of the rotor blades to the respective blade tip;
  4. i.e. a nozzle array on each rotor blade located on the suction side of the rotor blade;
  5. e. Secondary water lines branching off from the main water lines in the rotor blades to the nozzles of the nozzle fields.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.The subclaims specify advantageous configurations.

Die wesentliche Erfindungsidee ist darin zu sehen, dass die erfindungsgemäße Windenergieanlage durch ihre Konstruktionsmerkmale besonders gut dazu in der Lage ist, den Großteil oder sogar die Gesamtheit des ihr zugeführten Wassers zu verdunsten und somit als Wasserdampf in die Luft abzugeben. Das Wasser muss dazu nicht auf die Normaldruck-Siedetemperatur 100 °C erhitzt werden, sondern es wird vielmehr einer Unterdruckumgebung zugeführt, die ohnehin auf der Saugseite der mit Wind beaufschlagten und rotierend bewegten Rotorblätter besteht. Der Unterdruck wird durch die scheinbare Windgeschwindigkeit der am Rotorblattprofil vorbeiströmenden Luft bestimmt. Diese Windgeschwindigkeit ist durch die Rotationsgeschwindigkeit dominiert. Das Verdunsten erfolgt direkt beim Austritt des Wassers aus Düsenfeldern, die auf der Saugseite der Rotorblätter angeordnet sind, vorzugsweise im Bereich des größten Unterdrucks, d.h. der größten Luftdruckdifferenz zum Normaldruck. Jede Erwärmung des Wassers auf seinem Weg durch den Turm der WEA begünstigt die Verdunstung; diese Erwärmung kann vorzugsweise allein durch solare Erwärmung einer Wand des Turms erfolgen.The essential idea of the invention is that the wind energy installation according to the invention is particularly well able to evaporate the majority or even all of the water supplied to it and thus release it into the air as water vapor. The water does not have to be heated to the normal pressure boiling temperature of 100 °C, but rather it is fed to a low-pressure environment, which already exists on the suction side of the rotor blades, which are subjected to wind and are rotating. The negative pressure is determined by the apparent wind speed of the air flowing past the rotor blade profile. This wind speed is dominated by the rotation speed. The evaporation takes place directly when the water exits from nozzle fields, which are arranged on the suction side of the rotor blades, preferably in the area of the greatest negative pressure, i.e. the greatest difference in air pressure to normal pressure. Any warming of the water on its way through the wind turbine tower favors evaporation; this heating can preferably be done solely by solar heating of a wall of the tower.

Die Erfindung wird im Folgenden auch anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

  • 1 oben: einen Plot der Strömungsgeschwindigkeit v und des Luftdrucks p entlang der Achse x des Rotorblattquerschnitts; unten: das Rotorblattprofil und die Luftströmungslinien entlang der Achse x.
  • 2 den exemplarischen Plot der scheinbaren Windgeschwindigkeit bei einer wahren Windgeschwindigkeit von 10 m/s und einer Rotordrehzahl von 12 U/min aufgetragen gegenüber dem Abstand einer Düse von der Rotornabe;
  • 3 eine Skizze des erzeugten Wasserplumes auf der Lee-Seite unmittelbar hinter der WEA;
  • 4 eine Skizze der Wasserführung in der WEA;
  • 5 eine Skizze einer exemplarischen Ausgestaltung der Drehdurchführung für das Wasser aus der Steigleitung in die Gondel;
  • 6 eine Skizze eines entlang des Profils geschnittenen Rotorblatts mit Wasserhauptleitung, Wassernebenleitungen und dem Düsenfeld angeordnet etwa in der Mitte der Saugseite;
  • 7 eine Skizze wie 5 mit dem Düsenfeld nahe der ablaufenden Blattkante, wobei die Düsen aus dem Rotorblatt herausragen und seitwärts zur Blattkante hin Wasser emittieren.
The invention is also explained in more detail below with reference to figures. It shows:
  • 1 top: a plot of the flow velocity v and the air pressure p along the axis x of the rotor blade cross-section; below: the rotor blade profile and the airflow lines along the x-axis.
  • 2 the exemplary plot of apparent wind speed at a true wind speed of 10 m/s and a rotor speed of 12 rpm versus the distance of a nozzle from the rotor hub;
  • 3 a sketch of the generated water plume on the leeward side immediately behind the wind turbine;
  • 4 a sketch of the water flow in the wind turbine;
  • 5 a sketch of an exemplary embodiment of the rotary union for the water from the riser in the gondola;
  • 6 a sketch of a rotor blade cut along the profile with the main water line, secondary water lines and the nozzle field arranged approximately in the middle of the suction side;
  • 7 a sketch like 5 with the nozzle field close to the trailing blade edge, the nozzles protruding from the rotor blade and emitting water sideways towards the blade edge.

Ein möglichst geringer Luftdruck über den Düsen begünstigt die Verdunstung des Wassers. Dazu kann die Aerodynamik der Rotorblätter gezielt genutzt werden, um den Luftdruck lokal zu senken. Mit anderen Worten, die Düsen können an der Stelle des aerodynamischen Profils angebracht werden, an der die das Profil umgebende Luft den geringsten Druck aufweist. Der Auftrieb des aerodynamischen Profils eines Rotorblattes entsteht, weil die das Profil umströmende Luft zu einem lokalen Druckgradienten von Druckseite zu Saugseite führt.The lowest possible air pressure above the nozzles promotes the evaporation of the water. For this purpose, the aerodynamics of the rotor blades can be used in a targeted manner to locally reduce the air pressure. In other words, the nozzles can be placed at that point on the aerodynamic profile where the air surrounding the profile has the lowest pressure. The lift of the aerodynamic profile of a rotor blade arises because the air flowing around the profile leads to a local pressure gradient from the pressure side to the suction side.

In 1 ist der qualitative Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit (11) und Druck in der Luft auf der Saugseite (13) über der horizontalen Ausdehnung eines Rotorblattprofils (10) dargestellt. Aus dem Diagramm im oberen Teil von 1 wird ersichtlich, dass auf der Saugseite (13) eines Rotorblattes (10) ein deutlich niedriger Druck herrscht als der Umgebungsdruck.In 1 shows the qualitative relationship between flow velocity (11) and pressure in the air on the suction side (13) over the horizontal extension of a rotor blade profile (10). From the diagram in the upper part of 1 it can be seen that on the suction side (13) of a rotor blade (10) there is a significantly lower pressure than the ambient pressure.

In 1 unten ist zu sehen, dass die Luftströmungsgeschwindigkeit (11) auf der Saugseite (13) eines Rotorblattes (10) deutlich überhöht wird, was den Druckunterschied zwischen Ober- (13) und Unterseite (12) des Rotorblattes (10) genauso wie bei einer Flugzeugtragfläche bewirkt.In 1 Below you can see that the air flow speed (11) on the suction side (13) of a rotor blade (10) is significantly increased, which increases the pressure difference between the top (13) and bottom (12) of the rotor blade (10) just like on an aircraft wing causes.

Der Rotor einer WEA erfährt die wahre Windgeschwindigkeit, v0, die idealerweise im rechten Winkel auf die Rotorfläche trifft. Die umlaufenden Rotorblätter (10) erfahren zudem eine zusätzliche Windgeschwindigkeitskomponente, vR, die aus der Rotation des Rotors resultiert, den sogenannten Rotationswind. Diese beiden Windgeschwindigkeitsvektoren stehen senkrecht aufeinander und addieren sich folglich nach dem Satz von Pythagoras zur scheinbaren (aber effektiv im Sinne der Erfindung wirksamen) Windgeschwindigkeit, v, die an jedem Rotorblatt (10) anliegt. Die Rotationswindkomponente, vR, ist offenkundig an jedem Punkt (hier: Düse) eines Rotorblattes (10) der Drehzahl des Rotors und dem Abstand des Punktes zum Drehpunkt (hier: Nabe) proportional.The rotor of a wind turbine experiences the true wind speed, v 0 , which ideally hits the rotor surface at right angles. The revolving rotor blades (10) also experience an additional wind speed component, v R , which results from the rotation of the rotor, the so-called rotational wind. These two wind speed vectors are perpendicular to each other and add up consequently, according to Pythagoras' theorem, to the apparent (but effectively effective in the sense of the invention) wind speed, v, which is applied to each rotor blade (10). The rotational wind component, v R , is evidently proportional at every point (here: nozzle) of a rotor blade (10) to the rotational speed of the rotor and the distance from the point to the center of rotation (here: hub).

In 2 sind die scheinbare Windgeschwindigkeit und ihre Komponenten für einen Rotor mit einem gängigen Radius von 60 m dargestellt. Dafür wird angenommen, dass der Rotor einer moderaten wahren Windgeschwindigkeit von 10 m/s ausgesetzt ist und mit einer Drehzahl von 12 Umdrehungen pro Minute rotiert. Bereits ab einem Radius von 25 m, was 41,7 % des Gesamtradius entspricht, herrscht eine scheinbare Windgeschwindigkeit von mehr als 118 km/h. Mit anderen Worten, in der äußeren Hälfte des Rotorblattes (10) trifft die Luft auf die Oberfläche des Rotorblattes (10) mit der Stärke eines Orkans. Mit diesen extrem hohen Windgeschwindigkeiten kann sehr viel Wasser an die Luft emittiert werden.In 2 shows the apparent wind speed and its components for a rotor with a common radius of 60 m. For this it is assumed that the rotor is exposed to a moderate true wind speed of 10 m/s and rotates at a speed of 12 revolutions per minute. From a radius of 25 m, which corresponds to 41.7% of the total radius, there is an apparent wind speed of more than 118 km/h. In other words, in the outer half of the rotor blade (10), the air hits the surface of the rotor blade (10) with the force of a hurricane. With these extremely high wind speeds, a great deal of water can be emitted into the air.

Es ist eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen WEA, die Düsenfelder auf den Saugseiten (13) der Rotorblätter (10) so auszubilden, dass die Düsen eine lineare Anordnung entlang des Rotorblattes (10) bilden. Dadurch kann eine möglichst große Luftmasse simultan mit Wasser versorgt werden. Unter einem linearen Düsenfeld soll eine solche Anordnung der Düsen in einer Linie verstanden werden.A first advantageous embodiment of the wind turbine according to the invention is to design the nozzle fields on the suction sides (13) of the rotor blades (10) in such a way that the nozzles form a linear arrangement along the rotor blade (10). As a result, the largest possible air mass can be supplied with water simultaneously. A linear array of nozzles should be understood to mean such an arrangement of the nozzles in a line.

In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung weisen alle Düsen einen Mindestabstand zur Nabe des Rotors auf, der wenigstens 40 % der Rotorblattlängen beträgt. Die hohe scheinbare Windgeschwindigkeit in den außen liegenden Bereichen der rotierenden Rotorblätter (10) begünstigt die unmittelbare Verdunstung aus den Düsen heraus. Dabei ist anzumerken, dass es bei der Verdunstung in dem hier vorgeschlagenen Bewässerungssystem keine dauerhafte Interaktion zwischen der Wassermasse und der Luftmasse gibt. Durch die Luftbewegung und den kontinuierlichen Wasserstrom durch die Wasserleitung, haben Luft und Wasser keine Gelegenheit ihre Temperatur aneinander anzugleichen. Außerdem kann es nicht zu Rückkondensation von Wassermolekülen in die Wasseroberfläche an den Düsen kommen.In a second advantageous embodiment, all nozzles are at a minimum distance from the hub of the rotor, which is at least 40% of the length of the rotor blade. The high apparent wind speed in the outer areas of the rotating rotor blades (10) promotes direct evaporation from the nozzles. It should be noted that there is no permanent interaction between the water mass and the air mass during evaporation in the irrigation system proposed here. Due to the movement of air and the continuous flow of water through the water pipe, air and water do not have the opportunity to equalize their temperature. In addition, water molecules cannot condense back into the water surface at the nozzles.

Im Falle der WEA, die für 2 angenommen wurde, beträgt die Rotorfläche 11310 m2. Wenn man annimmt, dass das Düsenfeld von den Blattspitzen bis zum halben Rotorradius reicht, beträgt die von den Düsen überstrichene Fläche immer noch 8482 m2. Wenn man ferner annimmt, dass die WEA eine Nabenhöhe von 125 m hat, was für eine WEA dieser Größe ein durchschnittlicher Wert ist, dann erstreckt sich die überstrichene Rotorfläche auf eine Höhenspanne von 65 m bis 185 m über dem Boden. Es entsteht also eine sehr breite Verteilung des emittierten Wassers in einer 120 m dicken Luftschicht. Im Nachlauf wird diese Luftschicht sogar noch dicker. Da die WEA mit ihrem Rotor dem Wind kinetische Energie entzieht muss das Volumen des Nachlaufs zunehmen. Der aus den Düsen emittierte Wasserplume ist - etwas überzogen gezeichnet - in 3 skizziert.In the case of the wind turbines, the 2 was assumed, the rotor area is 11310 m 2 . Assuming that the nozzle array extends from the blade tips to half the rotor radius, the area swept by the nozzles is still 8482 m 2 . Assuming further that the WT has a hub height of 125 m, which is an average value for a WT of this size, then the swept rotor area extends to a height range of 65 m to 185 m above ground. So there is a very wide distribution of the emitted water in a 120 m thick layer of air. In the wake, this layer of air becomes even thicker. Since the wind turbines extract kinetic energy from the wind with their rotors, the volume of the wake must increase. The water plume emitted from the nozzles is drawn - somewhat exaggeratedly - in 3 sketched.

Die Energie des Windes wird von der WEA genutzt, um elektrische Energie zu produzieren. Mit dieser Energie kann auch die wenigstens eine Wasserpumpe betrieben werden. Außerdem wird die Energie des Windes genutzt, um die Rotation zu erzeugen, mit der die Düsen das Wasser über eine große Fläche in der Luft verteilen. Sobald das Wasser emittiert ist, übernimmt der Wind den Transport des Wassers. Das System wird also allein durch erneuerbare Energie betrieben.Wind energy is used by the wind turbine to produce electrical energy. The at least one water pump can also be operated with this energy. In addition, the energy of the wind is used to generate the rotation with which the nozzles distribute the water over a large area in the air. Once the water is emitted, the wind takes over the transport of the water. The system is therefore operated solely by renewable energy.

Die vollständige Verdunstung des emittierten Wassers ist möglich, wenn die richtigen Rahmenbedingungen herrschen. Insbesondere sind der atmosphärische Luftdruck, die Lufttemperatur und die wahre Windgeschwindigkeit maßgebliche und nicht steuerbare Größen, von denen die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf abhängt. Steuerbar und den Bedingungen anzupassen sind die Wassermenge, die pro Zeiteinheit emittiert wird und ggf. die Wassertemperatur.Complete evaporation of the emitted water is possible if the right framework conditions are in place. In particular, the atmospheric air pressure, the air temperature and the true wind speed are decisive and uncontrollable quantities on which the capacity of the air to hold water vapor depends. The amount of water that is emitted per unit of time and, if necessary, the water temperature can be controlled and adapted to the conditions.

Attraktiv an der vollständigen Verdunstung ist der damit verbundene Reinigungseffekt des Wassers, das hiernach als gewöhnliches Regenwasser zum Boden zurückkehrt. Deshalb ist es besonders sinnvoll, das Wasser für die WEA aus einem Oberflächen-Wasserreservoir zu entnehmen und möglichst nicht aus dem Grundwasser. Natürliche Seen und Flüsse bieten sich als Wasserspeisung an, besonders Flussmündungen ins Meer erscheinen als ideale Aufstellpunkte für eine WEA mit Verdunstungseinrichtung, d.h. die Wasserentnahme sollte erfolgen kurz bevor die Versalzung durch Vermischung mit Meerwasser eintritt. Das eingespeiste Wasser sollte soweit vorgefiltert werden, dass es keine Schwebeteile mehr enthält, die zur Verstopfung der Düsen führen können.What is attractive about complete evaporation is the associated cleaning effect of the water, which then returns to the ground as normal rainwater. It therefore makes particular sense to take the water for the wind turbines from a surface water reservoir and, if possible, not from the groundwater. Natural lakes and rivers are ideal sources of water, estuaries into the sea in particular appear to be ideal installation points for a wind turbine with an evaporation device, i.e. the water should be extracted shortly before it becomes salinated due to mixing with seawater. The water fed in should be pre-filtered to such an extent that it no longer contains any suspended particles that could lead to clogging of the nozzles.

Die erfindungsgemäße WEA ist bei Süßwassereinspeisung gut geeignet, um lokale Beregnung an Land auszulösen.When fed with fresh water, the wind turbine according to the invention is well suited for triggering local sprinkling on land.

Wenn die Bewässerung nahegelegener Gebiete erreicht werden soll, z.B. zur Bewässerung von landwirtschaftlichen Flächen, oder zur Prävention bzw. Bekämpfung von Wald-, Busch- und Moorbränden, kann Wasser in größeren Mengen ausgestoßen werden. Das Wasser wird dann in kleinen Tröpfchen mit der Luft transportiert, bis die Tröpfchen zu Boden gesunken sind. Auch in diesem Betriebsmodus wird ein Teil des Wassers verdunsten und bis zur Kondensation in der Luft verbleiben. Der Grad der Verdunstung kann beeinflusst werden, indem z.B. eine günstige Tageszeit gewählt wird. When irrigation of nearby areas is to be achieved, eg for irrigation of agricultural land, or to prevent or fight forest, bush and bog fires, water can be emitted in larger quantities. The water is then in small Transports droplets with the air until the droplets have settled to the ground. In this operating mode, too, part of the water will evaporate and remain in the air until it condenses. The degree of evaporation can be influenced by choosing a favorable time of day, for example.

Sollen beispielsweise in einer Trockenperiode nahegelegene Felder, Wiesen oder Wälder beregnet werden, sollte das an den meisten Standorten und in den meisten Wetterlagen, in den frühen Morgenstunden geschehen. In den frühen Morgenstunden erreicht die Lufttemperatur üblicherweise ihren niedrigsten Wert im Laufe eines Tages. Die Luft ist somit am leichtesten mit Wasserdampf zu sättigen. Vor Sonnenaufgang kann es außerdem zu keiner Verdunstung durch direkte Sonneneinstrahlung kommen. Bei Wald-, Busch- und Moorbränden kommt es durch die starke Wärmeentwicklung zu einer Thermik, die die heiße Luft über dem Feuer vertikal aufsteigen lässt. Dadurch wird aus der Umgebung horizontal Luft angesaugt. WEA in der Umgebung erfahren eine Windrichtung, die in Richtung des Feuers weist. Wenn diese WEA an ihren Rotorblättern Wasser ausstoßen, dann wird dieses Wasser durch die lokale Windrichtung zu dem zu bekämpfenden Feuer gesaugt.For example, if nearby fields, meadows or forests are to be irrigated during a dry period, this should be done in most locations and in most weather conditions, in the early hours of the morning. In the early morning hours, the air temperature usually reaches its lowest value during the day. The air is therefore the easiest to saturate with water vapor. In addition, there can be no evaporation from direct sunlight before sunrise. In the case of forest, bush and moor fires, the strong heat development causes thermals that cause the hot air to rise vertically above the fire. As a result, air is sucked in horizontally from the environment. Wind turbines in the vicinity experience a wind direction pointing in the direction of the fire. When these wind turbines eject water from their rotor blades, this water is drawn to the fire to be fought by the local wind direction.

Das Vermögen der WEA, an Land in ihrer lokalen Umgebung gezielt Regenbedingungen hervorzurufen, wird als großer Vorteil betrachtet, der die Aufstellung nahe trockener Gebiete nachdrücklich empfiehlt.The ability of WTs to induce targeted rain conditions on land in their local environment is considered a major asset that strongly recommends installation near dry areas.

In 4 ist ein exemplarischer Aufbau der erfindungsgemäßen WEA graphisch dargestellt. Die WEA umfasst wie heute üblich einen Turm, eine drehbar gelagerte Gondel mit einem Generator auf dem Turm und einen Rotor mit horizontaler Achse und drei Rotorblättern (10) angeordnet an der Gondel. Unter einer horizontalen Achse versteht der Fachmann dabei auch eine Drehachse, die leicht gegenüber der Horizontalen aufwärts geneigt ist. Der Zweck einer solchen Neigung liegt in der Vermeidung des Kontakts der Rotorblätter mit dem Turm bei starkem Wind, der die Rotorblätter nach hinten biegt.In 4 an exemplary structure of the wind turbine according to the invention is shown graphically. As is usual today, the wind turbine comprises a tower, a rotatably mounted nacelle with a generator on the tower and a rotor with a horizontal axis and three rotor blades (10) arranged on the nacelle. The person skilled in the art also understands a horizontal axis as an axis of rotation which is inclined slightly upwards with respect to the horizontal. The purpose of such tilting is to avoid contact of the rotor blades with the tower in strong winds, which bend the rotor blades backwards.

Die erfindungsgemäßen Bauelemente sind eine Wasserzuleitung (40), die hier exemplarisch unterirdisch verläuft, eine Wasserpumpe (42) am Fuß des Turms, eine Steigleitung (44) im Turm Wasser führend bis zur Höhe der drehbar gelagerten Gondel, eine Drehdurchführung für das Wasser in die Gondel (nicht gezeichnet) und eine Wasserleitung in die Nabe des Rotors (46), Wasserhauptleitungen (47) und Wassernebenleitungen (nicht gezeichnet) in den Rotorblättern bis zu deren Spitzen sowie je ein lineares Düsenfeld (48) angeordnet auf den Saugseiten entlang etwa der außen liegenden Hälfte jedes Rotorblatts.The components according to the invention are a water supply line (40), which runs underground in this example, a water pump (42) at the foot of the tower, a riser (44) in the tower carrying water up to the level of the rotatably mounted gondola, a rotary union for the water into the Nacelle (not shown) and a water line in the hub of the rotor (46), main water lines (47) and secondary water lines (not shown) in the rotor blades up to their tips and a linear nozzle field (48) each arranged on the suction sides along approximately the outside lying half of each rotor blade.

4 zeigt weiterhin je ein steuerbares Ventil und/oder eine regelbare Pumpe (49) zum individuellen Steuern des Wasserflusses bzw. zum Absperren jeder der drei Wasserhauptleitungen (47). Solche Ventile und/oder Pumpen (49) dienen der Steuerung des Wasserdurchsatzes durch die WEA, wobei ihre Anordnung wie in 4 lediglich optional ist. Alternativ könnte ein einzelnes Ventil (49) auch die Steigleitung (44) absperren und/oder die Wasserpumpe (42) selbst ein Rückschlagventil aufweisen und somit bei Stillstand absperren. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, anstelle einer einzelnen Wasserpumpe (42) eine Mehrzahl solcher Pumpen auf unterschiedlichen Höhen der Steigleitung (44), oder auch an unterschiedlichen Stellen entlang der drei Wasserhauptleitungen (47) anzuordnen. 4 shows a controllable valve and/or an adjustable pump (49) for individually controlling the water flow or for shutting off each of the three water mains (47). Such valves and/or pumps (49) are used to control the water throughput through the wind turbine, with their arrangement being as in 4 is only optional. Alternatively, a single valve (49) could also shut off the riser (44) and/or the water pump (42) itself could have a non-return valve and thus shut off when it is at a standstill. It is also within the scope of the invention, instead of a single water pump (42), to arrange a plurality of such pumps at different heights of the riser (44) or at different points along the three water mains (47).

Auch die Steigleitung (44) kann im Prinzip in mehrfacher Ausführung im Turm angeordnet sein. Es ist nämlich für die Wasserverdunstung durch die WEA von Vorteil, wenn die Steigleitung (44) im Turm in thermischem Kontakt mit dem überwiegend der Sonneneinstrahlung ausgesetzten Wandbereich des Turms steht. Auf der Nordhalbkugel ist dies die Südseite. Die Sonneneinstrahlung erwärmt dann das Wasser in der Steigleitung (44) solar, während es zum Rotor aufsteigt. Eine Mehrzahl von Steigleitungen (44) nebeneinander an der Turminnenwand befestigt kann die Erwärmung des Wassers begünstigen ohne dass der gewünschte Wassermengendurchsatz reduziert werden muss. Die Mehrzahl der Steigleitungen (44) kann aus einem Einzelrohr am Ausgang der Pumpe (42) durch Aufteilung hervorgehen und nahe der Gondel wieder zu einem Einzelrohr zusammengeführt werden.In principle, the riser (44) can also be arranged in multiple versions in the tower. This is because it is advantageous for water evaporation through the wind turbine if the riser (44) in the tower is in thermal contact with the wall area of the tower that is predominantly exposed to solar radiation. In the northern hemisphere, this is the southern side. The solar radiation then solar heats the water in the riser (44) as it rises to the rotor. A plurality of risers (44) fastened next to one another on the inner wall of the tower can promote the heating of the water without the desired water throughput having to be reduced. The plurality of risers (44) can emerge from a single pipe at the outlet of the pump (42) by splitting them up and can be brought together again to form a single pipe near the nacelle.

Nicht in 4 dargestellt ist eine Kontrolleinrichtung ausgebildet zur Ansteuerung wenigstens eines ansteuerbaren Ventils und/oder einer regelbaren Pumpe (49) zum Steuern des Wasserflusses und/oder zum Absperren der Wasserzufuhr zu wenigstens einem Rotorblatt (10) und/oder zum Ansteuern der Wasserpumpe (42). Eine solche Kontrolleinrichtung ist eine elektrische Einrichtung basierend auf einem Prozessor, wobei der Prozessor einem Programm folgend Steuerbefehle erzeugt und an die elektrisch steuerbaren Komponenten (42, 49) kommuniziert. Im einfachsten Fall folgt das Programm einer Zeitangabe aus einer prozessorinternen Uhr. Moderne WEAs sind jedoch mit umfangreicher Sensorik ausgestattet, um ihre Funktion zu überwachen und ihre Effizienz zu steuern bei unterschiedlichen Wind- und Wetterverhältnissen. Vorzugsweise ist daher die Kontrolleinrichtung dazu ausgebildet, Sensormessdaten wenigstens hinsichtlich Drehgeschwindigkeit und Stellung des Rotors zu empfangen und auf den Sensormessdaten basierte Steuerbefehle an die ansteuerbaren Ventile (49) und/oder an die Wasserpumpe zu (42) senden.Not in 4 a control device is shown for activating at least one controllable valve and/or a controllable pump (49) for controlling the water flow and/or for shutting off the water supply to at least one rotor blade (10) and/or for activating the water pump (42). Such a control device is an electrical device based on a processor, the processor generating control commands following a program and communicating them to the electrically controllable components (42, 49). In the simplest case, the program follows a time specification from a processor-internal clock. However, modern wind turbines are equipped with extensive sensors to monitor their function and control their efficiency in different wind and weather conditions. The control device is therefore preferably designed to receive sensor measurement data at least with regard to the rotational speed and position of the rotor and to send control commands based on the sensor measurement data to the controllable valves (49) and/or to the water pump (42).

Um die Struktur der WEA zu schonen, kann es vorteilhaft sein den Wasserausstoß so zu steuern, dass die Gondel und der Turm möglichst trocken bleiben. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass der Wasserausstoß nicht beliebig schnell unterbrochen werden kann. Stattdessen kann der Wasserstrom durch Regelung des Drucks in der Wasserleitung jedes einzelnen Rotorblattes (10) - z.B. mittels der Ventile und/oder Pumpen (49) in 4 - gesteuert werden. Wenn ein umlaufendes Rotorblatt (10) den Turm passiert hat, sollte der Wasserausstoß nicht sofort wieder aufgenommen werden. Die Luftströmung im Nachlauf einer WEA ist nicht geradlinig. Stattdessen wird die Luft durch den Rotor in eine Rotation versetzt, deren Drehrichtung der des Rotors entgegengesetzt ist. Daher sollte der Beginn des Wasserausstoßes solange verzögert werden, bis der Drall im Nachlauf keine Wassertropfen mehr zum Turm transportieren kann. Entsprechendes ist bei der Steuerung des Wasserausstoßes zu beachten, um das Gondeldach vor Wasser zu schützen. Vorzugsweise verarbeitet die vorgenannte Steuereinrichtung wenigstens die Messdaten zur Drehgeschwindigkeit und Stellung des Rotors und bestimmt die richtigen Zeitpunkte zur Öffnung und Schließung der Ventile und/oder Pumpen (49) hieraus automatisch und fortlaufend, d.h. sie reagiert adaptiv auf eine Änderung der Drehzahl des Rotors.In order to protect the structure of the wind turbine, it can be advantageous to control the water discharge in such a way that the nacelle and the tower remain as dry as possible. It should be taken into account that the water output cannot be interrupted at will. Instead, the water flow can be regulated by regulating the pressure in the water line of each individual rotor blade (10) - e.g. by means of the valves and/or pumps (49) in 4 - to be controlled. When a rotating rotor blade (10) has passed the tower, water discharge should not resume immediately. The air flow in the wake of a wind turbine is not straight. Instead, the air is caused to rotate by the rotor in the opposite direction to that of the rotor. Therefore, the beginning of the water ejection should be delayed until the twist in the wake can no longer transport water droplets to the tower. The same must be observed when controlling the water discharge in order to protect the gondola roof from water. The aforementioned control device preferably processes at least the measured data on the rotational speed and position of the rotor and automatically and continuously determines the correct times for opening and closing the valves and/or pumps (49) from this, i.e. it reacts adaptively to a change in the rotational speed of the rotor.

Um den WEA-Rotor der veränderlichen Windrichtung nachzuführen, verfügen moderne WEA über ein Yawsystem, welches die Gondel um den Turmkopf drehen kann. Daraus ergibt sich die Schwierigkeit, dass das Wasser aus der stationären Steigleitung (44) in die drehbar gelagerte Gondel gebracht werden muss.In order to track the wind turbine rotor to the changing wind direction, modern wind turbines have a yaw system that can turn the nacelle around the top of the tower. This results in the difficulty that the water has to be brought from the stationary riser (44) into the rotatably mounted gondola.

Hierfür gibt es verschiedene technisch Lösungsmöglichkeiten. Die Steigleitung kann z.B. an den stationären Teil einer zentrisch im Turmkopf angebrachten Drehdurchführung (50) münden. An den drehenden Teil dieser Drehdurchführung (50) ist die Wasserleitung angeschlossen, die in die Gondel führt. Alternativ kann ein flexibler Schlauch in einer Schleife im Turmkopf hängen. Eine solche Schlauchschleife ist angelehnt an den sogenannten Kabelloop, der in vielen WEA verwendet wird, um mit elektrischen Kabeln eine Verbindung zwischen dem stehenden Turm und der drehenden Gondel herzustellen. 5 zeigt exemplarisch die einfache und daher hier bevorzugte, als hängende Schlauchschleife ausgebildete Drehdurchführung (50) von der Steigleitung (44) in die Gondel. Um die Windnachführung zu ermöglichen ist es ausreichend, etwa zwei Umdrehungen der Gondel in beide Richtungen zuzulassen. Die im Turmkopf hängende Schlauchschleife wird dabei verdrillt, was aber zu keiner Beschädigung führt, solange die Schlauchschleife lang genug ausgeführt ist um zwei Umdrehungen zuzulassen.There are various technical solutions for this. The riser can, for example, lead to the stationary part of a rotary union (50) mounted centrally in the tower head. The water line that leads into the gondola is connected to the rotating part of this rotary union (50). Alternatively, a flexible hose can hang in a loop in the top of the tower. Such a hose loop is based on the so-called cable loop, which is used in many wind turbines to create a connection between the stationary tower and the rotating nacelle with electrical cables. 5 shows an example of the simple and therefore preferred rotary feedthrough (50), designed as a hanging hose loop, from the riser (44) into the nacelle. In order to enable wind tracking, it is sufficient to allow the nacelle to rotate about two times in both directions. The hose loop hanging in the tower head is twisted, but this does not cause any damage as long as the hose loop is long enough to allow two turns.

Von der horizontal drehenden Gondel muss eine Wasserleitung in den vertikal drehenden Rotor, also zwangsläufig in die Rotornabe (46) führen. In der Nabe (46) verzweigt sich die Wasserleitung in Wasserhauptleitungen (47), die in die einzelnen Rotorblätter führen. In der Wasserhauptleitung (47) eines jeden Rotorblattes ist ein regelbares Ventil und/oder eine regelbare Pumpe (49) optional vorhanden, womit die Durchflussmenge geregelt bzw. der Wasserfluss unterbunden werden kann.A water pipe must lead from the horizontally rotating gondola into the vertically rotating rotor, ie inevitably into the rotor hub (46). In the hub (46), the water line branches into main water lines (47) that lead to the individual rotor blades. A controllable valve and/or a controllable pump (49) is optionally present in the main water line (47) of each rotor blade, with which the flow rate can be regulated or the flow of water can be stopped.

In 6 ist eine Skizze eines entlang des Profils geschnittenen Rotorblatts (10) mit Wasserhauptleitung (47), Wassernebenleitungen (60) und einem linearen Düsenfeld (48) entlang des Rotorblattes angeordnet etwa in der Mitte der Saugseite zu sehen. Vorzugsweise sind auf jedem Rotorblatt (10) die Düsenfelder (48) in gleicher Weise und auf den mit größtem Unterdruck beaufschlagten Bereichen der Saugseiten (13) der Rotorblätter (10) in Abhängigkeit von den vorbekannten Rotorblattprofilen angeordnet. Die Wassernebenleitungen (60) sind als Abzweigungen aus der Wasserhauptleitung (47) ausgebildet und führen das Wasser direkt zu den einzelnen Düsen (48). Das austretende - ggf. zuvor solar erwärmte - Wasser wird bei Erreichen der Düse (48) von der schnell vorbeiströmenden Luft (11) erfasst, mitgerissen und verteilt. Es kann auf diese Weise bei geeigneten Bedingungen die vollständige Verdunstung des Wassers erreicht werden.In 6 a sketch of a rotor blade (10) cut along the profile with water main line (47), water side lines (60) and a linear array of nozzles (48) can be seen along the rotor blade arranged approximately in the middle of the suction side. The nozzle fields (48) are preferably arranged in the same way on each rotor blade (10) and on the areas of the suction sides (13) of the rotor blades (10) subjected to the greatest negative pressure, depending on the previously known rotor blade profiles. The secondary water lines (60) are designed as branches from the main water line (47) and lead the water directly to the individual nozzles (48). When it reaches the nozzle (48), the emerging water, which may have been previously heated by solar energy, is caught by the air (11) flowing past it, entrained and distributed. In this way, under suitable conditions, complete evaporation of the water can be achieved.

Folglich lässt sich die erfindungsgemäße WEA auch zur Meerwasserentsalzung einsetzen. In diesem Fall bleiben allerdings zwangsläufig Salzablagerungen auf den Rotorblättern (10) zurück. Diese Salzablagerungen stören die Aerodynamik des Rotorblattes (10). Um diese Störung möglichst gering zu halten, müssen die Düsen (48) zum Emittieren des Seewassers an einer Stelle auf der Saugseite (13) des Rotorblattes (10) angebracht sein, an der die Salzablagerungen keinen allzu großen Einfluss auf die Aerodynamik haben können. Außerdem muss es möglich sein im laufenden Betrieb die Salzablagerungen automatisiert und mit geringem Aufwand zu entfernen.Consequently, the wind turbine according to the invention can also be used for seawater desalination. In this case, however, salt deposits inevitably remain on the rotor blades (10). These salt deposits disturb the aerodynamics of the rotor blade (10). In order to keep this disturbance as small as possible, the nozzles (48) for emitting the seawater must be attached to a point on the suction side (13) of the rotor blade (10) where the salt deposits cannot have a major impact on the aerodynamics. In addition, it must be possible to remove the salt deposits automatically and with little effort during operation.

7 zeigt eine mögliche Konfiguration zur Seewasserentsalzung. Die Düsen (48) sind dabei nicht bündig mit der Oberfläche des Rotorblattes (10) abschließend ausgebildet, sondern sie ragen aus der Oberfläche heraus. Die Düsenfelder (48) sind in 7 nahe der ablaufenden Rotorblattkanten angeordnet, wobei die Düsen (48) zum Wasseraustritt entlang der Saugseiten (13) der Rotorblätter (10) zur Rotorblattkante hin ausgebildet sind. Nahe an der ablaufenden Kante herrscht nur noch ein geringer Unterdruck, der die Verdunstung des Wassers begünstigt. Die für die Verdunstung günstige Luftgeschwindigkeit (11) ist jedoch auch hier sehr hoch. An der Blattkante bietet das Rotorblatt (10) nur sehr wenig Platz für Salzablagerungen, und diese bilden sich an einer Stelle, an der sie nur geringen Einfluss auf die Aerodynamik haben. 7 shows a possible configuration for seawater desalination. The nozzles (48) are not designed to be flush with the surface of the rotor blade (10), but rather they protrude from the surface. The nozzle arrays (48) are in 7 arranged near the trailing edges of the rotor blade, with the nozzles (48) for water exit being formed along the suction sides (13) of the rotor blades (10) towards the edge of the rotor blade. Near the trailing edge there is only a slight negative pressure, which promotes the evaporation of the water. However, the air speed (11), which is favorable for evaporation, is also very high here. At the blade edge, the rotor blade (10) offers only very little room for salt deposits, and these form in a place where they have little impact on aerodynamics.

Um trotzdem nicht dauerhaft und potenziell immer größer werdende Salzablagerungen nahe der ablaufenden Kante des Rotorblattes (10) zu haben, kann die Kontrolleinrichtung wenigstens die Wasserpumpe (42) zeitlich repetierend im Zeitabstand einiger Minuten zur Erhöhung der Pumpleistung um wenigstens 100 % für einige Sekunden veranlassen. Dann stößt die WEA alle paar Minuten durch die Düsen (48) einen kräftigen Wasserstrahl aus. Salzablagerungen, die sich vor den Düsen (48) gebildet haben, werden dadurch weggespült und fallen zu Boden. Es ist darauf zu achten, dass ein solcher Spülmodus nur aktiv wird, wenn das zu reinigende Rotorblatt (10) in einer geeigneten Position steht (vgl. oben).In order not to have permanent and potentially ever-growing salt deposits near the trailing edge of the rotor blade (10), the control device can at least cause the water pump (42) to increase the pump output by at least 100% for a few seconds at intervals of a few minutes. The wind turbine then ejects a powerful jet of water through the nozzles (48) every few minutes. Salt deposits that have formed in front of the nozzles (48) are washed away and fall to the ground. Care must be taken that such a rinsing mode only becomes active when the rotor blade (10) to be cleaned is in a suitable position (cf. above).

Die abgespülten Salzablagerungen sowie das Salz, das beim Verdunstungsprozess nach dem Rotorblatt (10) vom Wasser abgetrennt wird, fallen hinter der WEA zur Erde. Deshalb ist die Seewasserentsalzung mit diesem Bewässerungssystem hauptsächlich für Offshore WEA geeignet. Onshore-WEA würden durch das herunterfallende Salz ihre Umgebung kontaminieren. Man könnte allerdings auch eine Near-Onshore-WEA in Betracht ziehen, die kurz vor der Küste mit dem Turmfuß im Seewasser aufgestellt wird, um entsalztes Meerwasser mit dem auflandigen Seewind an Land zu befördern. Wenn die Sonne auf die Erde scheint, dann heizt sich Landmasse schneller auf als Wasser. Aus diesem Grund kommt es im Laufe eines Tages an vielen Standorten zum sogenannten Seewind. Seewind ist ein lokaler Wind, der durch Thermik über dem Land in Interaktion mit der Luftmasse über dem kälteren Wasser entsteht. An vielen Küstenstandorten der Erde kommt es zu regelmäßigen und nicht selten sehr kräftigen Seewinden. Besagte Thermik käme dann auch der Energiegewinnung durch die WEA zugute.The washed-off salt deposits and the salt that is separated from the water after the rotor blade (10) during the evaporation process fall to the ground behind the wind turbine. Therefore, seawater desalination with this irrigation system is mainly suitable for offshore wind turbines. Onshore wind turbines would contaminate their surroundings with the falling salt. However, one could also consider a near-onshore wind turbine, which is set up just off the coast with the base of the tower in the sea water in order to transport desalinated sea water to land with the onshore sea wind. When the sun shines on the earth, land mass heats up faster than water. For this reason, so-called sea breezes occur in many locations over the course of a day. Sea breeze is a local wind created by thermals over land interacting with the air mass over the colder water. At many coastal locations around the world, there are regular and often very strong sea winds. Said thermals would then also benefit the energy generation by the wind turbines.

Abschließend soll noch darauf verwiesen werden, dass die Wasseremission sich durchaus förderlich auch auf die Energiegewinnung der WEA auswirken kann.Finally, it should be pointed out that the water emission can also have a beneficial effect on the energy generation of the wind turbines.

Die aerodynamischen Eigenschaften von Rotorblättern (10) können mit verschiedenen Mechanismen verbessert werden. Viele dieser Mechanismen zielen darauf ab die Grenzschicht zwischen der Oberfläche der Saugseite (13) und der laminaren Luftströmung zu verbessern. Einblasen und absaugen von Luft in der Grenzschicht kann den Auftriebsbeiwert um bis zu 60 % steigern.The aerodynamic properties of rotor blades (10) can be improved using various mechanisms. Many of these mechanisms aim to improve the boundary layer between the surface of the suction side (13) and the laminar air flow. Injecting and extracting air in the boundary layer can increase the lift coefficient by up to 60%.

Die traditionelle Motivation für den Einsatz von Elementen zur Verbesserung des aerodynamischen Verhaltens eines Rotorblattes (10) ist die Reduzierung der Lasten. Lastenreduktion führt zur Einsparung von Material in den Rotorblätter (10), aber auch in der gesamten Tragstruktur der WEA. Somit ist Lastenreduktion schlussendlich ein Aspekt der Wirtschaftlichkeit einer WEA. In Serien-WEA werden aktive Elemente zur Verbesserung der Aerodynamik noch weitgehend gemieden, da diese die Komplexität der WEA eher erhöhen als deren Kosten zu reduzieren. Passive Vortexgeneratoren werden, aufgrund ihrer geringen Komplexität, an Serien-WEA verbaut. Deren Funktionsweise basiert darauf, dass die Grenzschicht mit Energie angereichert wird, um die Stagnation der Luftströmung (11) sehr dicht an der Rotorblattoberfläche zu verringern. Dadurch wird die Ablösung der Strömung und das Einsetzen des Stalleffektes an der Saugseite (13) des Rotorblattes (10) verzögert.The traditional motivation for using elements to improve the aerodynamic behavior of a rotor blade (10) is to reduce loads. Load reduction leads to a saving of material in the rotor blades (10), but also in the entire support structure of the wind turbine. Ultimately, load reduction is therefore an aspect of the profitability of a wind turbine. In mass-produced wind turbines, active elements to improve aerodynamics are still largely avoided, since they increase the complexity of the wind turbine rather than reducing its costs. Due to their low complexity, passive vortex generators are installed in series wind turbines. The way they work is that the boundary layer is enriched with energy in order to reduce the stagnation of the air flow (11) very close to the rotor blade surface. This delays the separation of the flow and the onset of the stall effect on the suction side (13) of the rotor blade (10).

Während aktive Elemente wie das Einblasen von Luft in die Grenzschicht zur Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften in Flugzeugen häufig eingesetzt werden, ist deren Einsatz in WEA kein Standard. Wenn eine erfindungsgemäße WEA errichtet wird, dann können bei der Auslegung des Systems auch die positiven Effekte auf die Aerodynamik ausgenutzt werden.While active elements such as blowing air into the boundary layer to improve the aerodynamic properties in aircraft are often used, their use in wind turbines is not standard. If a wind turbine according to the invention is erected, the positive effects on the aerodynamics can also be used when designing the system.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (10)

Windenergieanlage mit Einrichtung zur Wasseremission in die Atmosphäre umfassend einen Turm, eine drehbar gelagerte Gondel mit einem Generator auf dem Turm, einen Rotor mit horizontaler Achse und wenigstens einem Rotorblatt (10) angeordnet an der Gondel, wenigstens eine elektrisch betriebene Wasserpumpe (42) angeordnet am Fuß des Turms, eine Steigleitung (44) im Turm Wasser führend von der Wasserpumpe (42) bis zur Höhe der Gondel, gekennzeichnet durch a. eine Drehdurchführung (50) für das Wasser aus der Steigleitung in die Gondel; b. eine Wasserleitung (46) in der Gondel zur Führung des Wassers aus der Steigleitung in die Nabe des Rotors; c. wenigstens eine Wasserhauptleitung (47) von der Nabe des Rotors in jedes der Rotorblätter (10) bis jeweils zur Rotorblattspitze; d. ein Düsenfeld (48) auf jedem Rotorblatt (10) angeordnet auf der Saugseite (13) des Rotorblatts (10); e. Wassernebenleitungen (60) abzweigend von den Wasserhauptleitungen (47) in den Rotorblättern (10) zu den Düsen der Düsenfelder (48).Wind turbine with device for emitting water into the atmosphere, comprising a tower, a rotatably mounted nacelle with a generator on the tower, a rotor with a horizontal axis and at least one rotor blade (10) arranged on the nacelle, at least one electrically operated water pump (42) arranged on Base of the tower, a riser (44) in the tower carrying water from the water pump (42) to the level of the gondola, characterized by a. a swivel (50) for the water from the riser to the nacelle; b. a water line (46) in the nacelle for conducting water from the riser into the hub of the rotor; c. at least one water main (47) from the hub of the rotor into each of the rotor blades (10) to the respective blade tip; i.e. a nozzle array (48) on each rotor blade (10) located on the suction side (13) of the rotor blade (10); e. Secondary water lines (60) branching off from the main water lines (47) in the rotor blades (10) to the nozzles of the nozzle fields (48). Windenergieanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine lineare Anordnung der Düsen eines Düsenfeldes (48) entlang des Rotorblatts (10).wind turbine after claim 1 , characterized by a linear arrangement of the nozzles of a nozzle field (48) along the rotor blade (10). Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mindestabstand aller Düsen (48) von der Nabe des Rotors, der wenigstens 40 % der Rotorblattlängen beträgt.Wind energy installation according to one of the preceding claims, characterized by a minimum distance of all nozzles (48) from the hub of the rotor, which is at least 40% of the rotor blade lengths. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine als hängende Schlauchschleife ausgebildete Drehdurchführung (50) in die Gondel.Wind energy installation according to one of the preceding claims, characterized by a rotary leadthrough (50) in the nacelle designed as a hanging hose loop. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anordnung der Düsenfelder (48) auf den mit größtem Unterdruck beaufschlagten Bereichen der Saugseiten (13) der Rotorblätter (10) in Abhängigkeit von den vorbekannten Rotorblattprofilen.Wind energy installation according to one of the preceding claims, characterized by the arrangement of the nozzle arrays (48) on the areas of the suction sides (13) of the rotor blades (10) subjected to the greatest negative pressure, depending on the previously known rotor blade profiles. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Anordnung der Düsenfelder (48) nahe der ablaufenden Rotorblattkanten, wobei die Düsen (48) zum Wasseraustritt entlang der Saugseiten (13) der Rotorblätter (10) zur Rotorblattkante hin ausgebildet sind.Wind turbine according to one of Claims 1 until 4 , characterized by the arrangement of the nozzle fields (48) near the trailing rotor blade edges, the nozzles (48) for water exit along the suction sides (13) of the rotor blades (10) being designed towards the rotor blade edge. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anordnung der Steigleitung (44) im Turm in thermischem Kontakt mit dem überwiegend der Sonneneinstrahlung ausgesetzten Wandbereich des Turms.Wind energy installation according to one of the preceding claims, characterized by the arrangement of the riser (44) in the tower in thermal contact with the wall region of the tower which is predominantly exposed to solar radiation. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kontrolleinrichtung ausgebildet zur Ansteuerung wenigstens eines ansteuerbaren Ventils und/oder einer regelbaren Pumpe (49) zum Steuern des Wasserflusses und/oder zum Absperren der Wasserzufuhr zu wenigstens einem Rotorblatt (10) und/oder zum Ansteuern der Wasserpumpe (42).Wind energy installation according to one of the preceding claims, characterized by a control device designed to control at least one controllable valve and/or a controllable pump (49) for controlling the water flow and/or for shutting off the water supply to at least one rotor blade (10) and/or for control the water pump (42). Windenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung ausgebildet ist, Sensormessdaten wenigstens hinsichtlich Drehgeschwindigkeit und Stellung des Rotors zu empfangen und auf den Sensormessdaten basierte Steuerbefehle an das wenigstens eine ansteuerbare Ventil und/oder an die wenigstens eine regelbare Pumpe (49) und/oder an die Wasserpumpe (42) zu senden.wind turbine after claim 8 , characterized in that the control device is designed to receive sensor measurement data at least with regard to the rotational speed and position of the rotor and to send control commands based on the sensor measurement data to the at least one controllable valve and/or to the at least one controllable pump (49) and/or to the water pump (42) to send. Windenergieanlage nach den Ansprüchen 6 und 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung wenigstens die Wasserpumpe (42) zeitlich repetierend im Zeitabstand einiger Minuten zur Erhöhung der Pumpleistung um wenigstens 100 % für einige Sekunden veranlasst.wind turbine according to claims 6 and 8th or 9 , characterized in that the control device prompts at least the water pump (42) to increase the pump output by at least 100% for a few seconds at intervals of a few minutes.
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