DE19824032A1 - Windkraftanlage - Google Patents
WindkraftanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur Umwandlung von Wind
energie in eine an einer Welle abgreifbare Rotationsenergie.
Aus der Praxis sind verschiedene Windkraftanlagen bekannt, welche zum
Antrieb von Pumpen zur Grundwasserförderung oder zum Antrieb von Gene
ratoren zur Stromerzeugung verwendet werden. Diese Windkraftanlagen
weisen Rotoren, insbesondere Flügelräder oder Luftschrauben auf, wel
che frei laufend an einer im wesentlichen horizontal gelagerten Welle
angeordnet sind und in der Regel mittels eines Leitwerkes so in den
Wind gedreht werden, daß die Rotationsachse des Flügelrades bzw. der
Luftschraube parallel zur Windrichtung ausgerichtet ist.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Stromerzeugung mit solchen
Windkraftanlagen nur dann wirtschaftlich sinnvoll durchführbar ist,
wenn die Windkraftanlagen sehr groß dimensioniert sind. Dadurch ent
steht eine nicht unerhebliche Beeinträchtigung des Landschaftsbildes.
Darüber hinaus geht von großen Windkraftanlagen auch eine nicht uner
hebliche Gefährdung von Personen und Sachen aus, da im Falle einer Ha
varie eventuell umherfliegende Rotorteile, Verletzungen und Beschädi
gungen verursachen können. Diese Gefahr besteht insbesondere bei
Starkwind und Sturm. Weitere Nachteile der bekannten Windkraftanlagen
sind eine hohe Geräuschentwicklung und eine unzureichende Leistung bei
schwachen Winden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage zur
Verfügung zu stellen, mit welcher bei geringer Umweltbelastung Wind
energie in eine an einer Welle abgreifbare Rotationsenergie umwan
delbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der Rotor, beispielsweise ein
Flügelrad oder eine Luftschraube, in einem mindestens eine untere Ein
trittsöffnung und eine obere Austrittsöffnung aufweisenden, von einer
Leitwandung begrenzten Strömungskanal angeordnet ist und daß im Be
reich der oberen Austrittsöffnung ein Strömungsleitelement mit einer
unteren Profilierung angeordnet ist, welches im Bereich der oberen
Austrittsöffnung ein Gebiet mit einem gegenüber der Umgebung abge
senkten Druck erzeugt. Bei der Erfindung wird also der Rotor nicht
mehr direkt von dem vorbei streichenden Wind angetrieben sondern durch
einen Sekundärluftstrom, welcher durch das Strömungselement in dem
Strömungskanal erzeugt wird.
Bei der Erfindung wird der Rotor seitlich durch die Leitwandung des
Strömungskanals abgeschirmt. Dadurch wird die Sicherheit der Wind
kraftanlage im Havariefall erhöht, so daß die Windkraftanlage auch
innerhalb einer geschlossenen Bebauung, beispielsweise in Wohn- und
Industriegebieten aufstellbar ist. Unbebaute Natur wird dadurch ent
lastet und Leitungsverluste zum Verbraucher werden verringert. Die
Leitwandung des Strömungskanals bewirkt zudem eine Schalldämmung, so
daß von der erfindungsgemäßen Windkraftanlage nur eine geringe Ge
räuschbelästigung ausgeht.
Mit der Erzeugung eines Sekundärluftstromes werden auch die Vorausset
zungen für eine gute Steuerbarkeit der Windkraftanlage geschaffen.
Über die Beeinflussung des Sekundärluftstromes ist es nämlich möglich,
die Leistung der Windkraftanlage zu beeinflussen, ohne daß Verstell
vorrichtungen am Rotor vorgesehen sein müßten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Profilierung des Strö
mungsleitelementes tragflügelartig ausgebildet. Eine solche Ausgestal
tung gewährleistet eine optimale Umsetzung der in der vorbei strömenden
Luft enthaltenden Strömungsenergie in einen Unterdruck, welcher den
Sekundärluftstrom durch den Strömungskanal ansaugt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß
die Leitwandung des Strömungskanals ein inneres, auf den Rotor ausge
legtes, düsenartiges Profil aufweist. Dadurch wird die Strömung in dem
Strömungskanal beschleunigt, so daß Rotoren mit größerer Umlaufge
schwindigkeit einsetzbar sind.
Um eine richtungsunabhängige Aufstellung der Windkraftanlage zu ermög
lichen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß
das Strömungsleitelement um eine vertikale Achse schwenkbar oder dreh
bar gelagert ist und daß eine Einstellvorrichtung vorgesehen ist, mit
der das Strömungsleitelement auf die Windrichtung einstellbar ist. Ge
mäß einer besonders einfach technisch realisierbaren Ausführungsform
ist dabei insbesondere ein Leitwerk vorgesehen.
Der Wirkungsgrad der Windkraftanlage läßt sich dadurch erhöhen, daß
die Leitwandung des Strömungskanals Sonnenstrahlung absorbierend aus
gebildet ist. Dadurch entsteht in dem Strömungskanal bei Sonnenein
strahlung eine Art Kamineffekt, der zur Verstärkung des Sekundärluft
stromes beiträgt. Der Kamineffekt beruht dabei auf der unterschiedli
chen Dichte der Luftsäule in dem Strömungskanal und in der Umgebung.
Eine weitere Möglichkeit, den Sekundärluftstrom in dem Strömungskanal
zu verstärken besteht in der Anordnung mindestens einer, sich zur
Seite des Strömungskanals hin öffnenden Eintrittsöffnung. Wenn eine
solche Eintrittsöffnung zur Anströmseite hin geöffnet ist, kann an
strömende Luft am unteren Ende des Strömungskanals gestaut werden, wo
durch sich am unteren Ende des Strömungskanals ein Überdruckgebiet
ausbildet. Mittels Verschlußelementen, insbesondere mittels Verschluß
klappen lassen sich solche zur Seite hin öffnenden Eintrittsöffnungen
gezielt öffnen und schließen, wodurch sich eine richtungsunabhängige
Aufstellbarkeit der Windkraftanlage ermöglichen läßt. Durch ein
Schließen sämtlicher Verschlußelemente kann die Windkraftanlage abge
schaltet werden, so daß sich im Falle von Starkwind oder Sturm eine
Beschädigung des Rotors vermeiden läßt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung im Zu
sammenhang mit den Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftan
lage in einer Seitenansicht,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Windkraftanlage gemäß der Linie II-II
in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch die Windkraftanlage gemäß der Linie III-III
in Fig. 1,
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraft
anlage im Schnitt,
Fig. 5 eine Ansicht auf die Windkraftanlage gemäß dem Pfeil V in Fig.
4 und
Fig. 6 einen Schnitt durch die Windkraftanlage gemäß der Linie VI-VI
in Fig. 4.
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Windkraftanlage 10 weist eine zu ebe
ner Erde aufgestellte Turmkonstruktion 12 mit einer Leitwandung 14
auf, welche einen Strömungskanal 16 seitlich begrenzt. Der Strömungs
kanal weist eine obere Austrittsöffnung 18 und eine untere Eintritts
öffnung 20 auf und nimmt in seinem Inneren etwa auf halber Strecke
zwischen Eintrittsöffnung 20 und Austrittsöffnung 18 einen als vier
flüglige Luftschraube ausgebildeten Rotor 22 auf. Dieser Rotor 22,
dessen Rotationsachse koaxial zu dem Strömungskanal 16 verläuft,
treibt über eine Welle 24 einen Generator 26 an.
Um in den Strömungskanal 16 einen Sekundärluftstrom zu erzeugen ist im
Bereich der Austrittsöffnung 18 ein Strömungsleitelement 28 angeord
net, welches auf einer koaxial zu dem Strömungskanal 16 angeordneten
Achse 30 drehbar gelagert ist.
Das Strömungsleitelement 28 weist einen Hauptkörper 32 auf, welcher an
seiner Unterseite eine tragflügelartig gekrümmte Strömungsbeschleuni
gungsfläche 34 aufweist. Die in Fig. 3 gezeigte Strömungsbeschleuni
gungsfläche 34 ist lediglich zweidimensional gekrümmt, so daß sich der
Hauptkörper 32 mit geringen Kosten herstellen läßt. Eine dreidimensio
nal gekrümmte Strömungsbeschleunigungsfläche hätte demgegenüber einen
besseren Wirkungsgrad. Um eine günstige Unterdruckerzeugung im Bereich
der Austrittsöffnung 18 zu gewährleisten, weist das Strömungsleitele
ment an seinen Seiten quer zur Hauptkörperlängserstreckung ausgerich
tete Leitbleche 35 auf, welche eine seitliche Ansaugung von Umgebungs
luft verhindern. Um eine automatische Ausrichtung des Strömungsleit
elements 28 in Abhängigkeit von der Windrichtung zu bewirken, ist fer
ner an der Oberseite des Hauptkörpers 32, die eben ausgebildet ist,
ein Leitwerk 36 nach Art des Leitwerks eines Flugzeugs vorgesehen.
Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, weist die Turmkonstruktion neben
der Leitwandung 14 eine äußere Verkleidung 38 auf, in welcher am unte
ren Ende Durchbrechungen 40 angeordnet sind, welche den Luftzutritt
zur Eintrittsöffnung 20 des Strömungskanals 16 freigeben. Die Durch
brechungen 40 sind mittels vertikal verschiebbarer Klappen 42 ver
schiebbar, so daß der Lufteintritt in den Strömungskanal 16 einstell
bar ist.
Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Windkraftanlage 10 ist zur Nut
zung der an der Welle 24 abgreifbaren Rotationsenergie ein Generator
26 vorgesehen, welcher im Strömungskanal 16 an einem Strebwerk 44 auf
gehängt ist.
Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Wind
kraftanlage in Wohngebieten. Dazu sollte die Windkraftanlage etwa fol
gende Dimensionen aufweisen:
Kantenlänge der Turmkonstruktion: 2 bis 5 m
Höhe der Turmkonstruktion: Mindestens 1 m höher als umgebende Gebäude
Rotortyp: Langsam laufende Windturbine
Fläche des Tragflügels: 25% größer als Grundfläche der Turmkonstruktion.
Kantenlänge der Turmkonstruktion: 2 bis 5 m
Höhe der Turmkonstruktion: Mindestens 1 m höher als umgebende Gebäude
Rotortyp: Langsam laufende Windturbine
Fläche des Tragflügels: 25% größer als Grundfläche der Turmkonstruktion.
Die Windkraftanlage 110 gemäß den Fig. 4 bis 6 entspricht in ihrem
Aufbau im wesentlichen der Windkraftanlage 10 gemäß den Fig. 1 bis 3.
Gleiche Teile sind daher mit Bezugszeichen versehen, welche gegenüber
dem entsprechenden Teil gemäß der ersten Ausführungsform um 100 erhöht
sind. Auf die Beschreibung der entsprechenden Teile wird verwiesen.
Bei der Windkraftanlage 110 gemäß der zweiten Ausführungsform ist die
Turmkonstruktion 112 ein im wesentlichen kreiszylindrisches Rohr, wel
ches an seinem unteren Ende radiale Durchbrechungen 140 aufweist,
durch welche hindurch Luft in den im Innern der Turmkonstruktion gele
genen Strömungskanal 116 gelangen kann. Die Turmkonstruktion 112 steht
auf Kreisbogenabschnitten 150, zwischen welchen sich die Durch
brechungen 140 erstrecken.
Das Strömungsleitelement 128 weist wie das Strömungsleitelement 28 ge
mäß der ersten Ausführungsform einen Hauptkörper 132 auf, an dessen
Seiten Leitbleche 135 angeordnet sind. Das Strömungsleitelement 128
ist jedoch nicht auf einer zentralen Achse gelagert wie das Strömungs
leitelement 28 gemäß der ersten Ausführungsform, sondern es wird von
vier flachen Strebbändern 152 getragen, welche von einem die Turmkon
struktion 112 umgebenden Außenrohr 154 gehalten werden. Das Außenrohr,
welches an seinem unteren Ende auf Rollen gelagert ist und sich an
seinem oberen Ende gegenüber der Turmkonstruktion 112 abstützt um
schließt an seinem unteren Ende etwa drei Viertel des Umfangs der
Turmkonstruktion, so daß lediglich einzelne Durchbrechungen 140 selek
tiv freibleiben. Das Außenrohr 140 wird gemeinsam mit dem Strömungs
leitelement 128 von einem Leitwerk 136 gedreht, so daß eine Luftströ
mung lediglich durch den Wind zugewandte Durchbrechungen 140 einströ
men kann.
Um weitere Durchbrechungen 140 verschließen zu können ist zusätzlich
ein Verschlußringsegment 156 vorgesehen, dessen Höhe größer ist als
die Höhe der Durchbrechungen und dessen Winkel bereich sich über mehr
als 1800 Grad erstreckt, so daß durch eine Kombination des Außenrohres
140 und das Verschlußringsegment 156 sämtliche Durchbrechungen 140
gleichzeitig verschließbar sind.
Die Windkraftanlage 110 gemäß der zweiten Ausführungsform ist zum An
trieb einer Grundwasserpumpe 158 vorgesehen. Diese Pumpe 158, an deren
Stelle auch ein Generator verwendbar wäre, ist unterhalb der Turmkon
struktion 112 angeordnet und wird über eine langgestreckte Welle 124
angetrieben, so daß die Durchströmung des Strömungskanals 116 nicht
durch übermäßige Einbauten behindert wird.
Vorzugsweise ist die Windkraftanlage 110 in einer dunklen, Sonnen
strahlung absorbierenden vorzugsweise schwarzen Beschichtung versehen.
Dadurch kann in dem Strömungskanal ein Kamineffekt erzeugt werden.
Claims (11)
1. Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in eine an einer
Welle (24; 124) abgreifbare Rotationsenergie, mit einem Rotor
(22; 122), welcher verdrehfest auf der Welle (24; 124) gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (22; 122) in einem mindestens eine untere Eintritts
öffnung (20; 120) und eine obere Austrittsöffnung (18; 118) aufwei
senden, von einer Leitwandung (14; 114) begrenzten Strömungskanal
(16; 116) angeordnet ist und
daß im Bereich der oberen Austrittsöffnung (18; 118) ein Strömungs
element (28; 128) mit einer unteren Profilierung angeordnet ist,
welches im Bereich der oberen Austrittsöffnung (18; 118) ein Gebiet
mit einem gegenüber der Umgebung abgesenkten Druck erzeugt.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Profilierung des Strömungsleitelements (28; 128) tragflügelartig
ausgebildet ist.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Strömungskanal (16; 116) gerade, langgestreckt und mit einer
vertikal ausgerichteten Längsachse ausgebildet ist.
4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Strömungskanal ein inneres, auf den Rotor hin
ausgelegtes, düsenartiges Profil aufweist.
5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Strömungsleitelement (28; 128) um eine vertikale
Achse schwenk- oder drehbar gelagert ist und daß eine Einstellvor
richtung vorgesehen ist, mit der das Strömungsleitelement (28; 128)
auf die Windrichtung einstellbar ist.
6. Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einstellvorrichtung ein Leitwerk (36; 136) ist, und daß das Strö
mungsleitelement (28; 128) frei drehbar ist.
7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Leitwandung (114) des Strömungskanals (116) außen
Sonnenstrahlung absorbierend ausgeführt ist.
8. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die untere Eintrittsöffnung (20; 120) zu Durchbrechun
gen (40; 140) hin offen ist, die sich zur Anströmseite des Wind
kraftanlage hin öffnen.
9. Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Be
reich der Durchbrechungen (40; 140) Verschlußelemente (42; 156), ins
besondere Verschlußklappen (42) vorgesehen sind.
10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Welle (24) mit einem Stromgenerator (26) verbunden
ist.
11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Welle (124) mit einer Pumpe (158) verbunden ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19824032A DE19824032A1 (de) | 1997-06-17 | 1998-05-29 | Windkraftanlage |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE29710524U DE29710524U1 (de) | 1997-06-17 | 1997-06-17 | Windkraftanlage |
DE19824032A DE19824032A1 (de) | 1997-06-17 | 1998-05-29 | Windkraftanlage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19824032A1 true DE19824032A1 (de) | 1999-01-28 |
Family
ID=8041728
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE29710524U Expired - Lifetime DE29710524U1 (de) | 1997-06-17 | 1997-06-17 | Windkraftanlage |
DE19824032A Withdrawn DE19824032A1 (de) | 1997-06-17 | 1998-05-29 | Windkraftanlage |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE29710524U Expired - Lifetime DE29710524U1 (de) | 1997-06-17 | 1997-06-17 | Windkraftanlage |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (2) | DE29710524U1 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102011017373A1 (de) * | 2011-04-16 | 2012-10-18 | Werner Vogel | Windkraftanlage |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE4114501A1 (de) * | 1991-05-03 | 1992-11-05 | Joergen Brosow | Kraftwerk |
DE4117838A1 (de) * | 1991-05-29 | 1992-12-03 | Juergen Schatz | Verfahren und einrichtung zur energetischen nutzung gasfoermiger stoffstroeme, insbesondere langsam fliessender stoffstroeme |
DE9411581U1 (de) * | 1994-07-16 | 1994-09-15 | Frank, Eugen, 58511 Lüdenscheid | Sogkraftmaschine |
DE19515319C2 (de) * | 1995-04-20 | 1997-04-24 | Juergen Schatz | Einrichtung zur Verstärkung und Gleichrichtung einer durch Unterdruck in einem Wirbel angetriebenen Axialströmung |
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1997
- 1997-06-17 DE DE29710524U patent/DE29710524U1/de not_active Expired - Lifetime
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1998
- 1998-05-29 DE DE19824032A patent/DE19824032A1/de not_active Withdrawn
Also Published As
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DE29710524U1 (de) | 1998-10-15 |
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Legal Events
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