DE19824032A1 - Windkraftanlage - Google Patents

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.

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.