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Die
Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem ersten Rotor,
der wenigstens zwei um eine annährend
horizontale Rotationsachse drehbar gelagerte Rotorflügel aufweist,
und zumindest einem Generator zur Erzeugung von Strom aus der Rotationsbewegung
des Rotors.
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Aus
der Praxis sind beispielsweise Windkraftanlagen mit einem Rotor
bekannt, der drei um 120° zueinander
versetzt angeordnete Rotorflügel
aufweist. Der Rotor selbst ist üblicherweise
um eine vertikale Achse drehbar gegenüber einem Unterbau gelagert,
so dass sich der Rotor der Windrichtung anpassen kann. Üblicherweise
ist die Breite der Rotorflügel
im Bereich des der Rotationsachse zugewandten Enden größer; allerdings
kann dieser Bereich aufgrund des kürzeren Hebelarms nur bedingt
ein Drehmoment ausüben.
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Die
Rotorflügel
erzeugen eine Schubkraft, solange die aktuelle Windgeschwindigkeit über der
Umlaufgeschwindigkeit der Rotorflügel liegt. Diese Schubkraft
entsteht durch den auf die Vorderseite der Rotorflügel wirkenden
Druckes des Windes sowie durch den Unterdruck, der aufgrund der
Sogkraft auf der Rückseite
der Rotorflügel.
herrscht.
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Ist
die Umlaufgeschwindigkeit größer als
die Windgeschwindigkeit, wandeln sich die Schubkräfte in Bremskräfte um.
Dies lässt
sich damit begründen,
dass auf der Vorderseite der Rotorflügel anstelle des Druckes nunmehr
eine Sogwirkung herrscht, weil der Wind den Rotorflügel nicht
mehr "erreichen" kann. Der Rotorflügel wird
daher gebremst. Vereinfacht ausgedrückt kann der mit einer geringeren
Geschwindigkeit strömende
Wind nicht mehr an dem rotierenden Rotorflügel durchströmen, so
dass der Wind von der Rückseite der
Rotorflügel "zusammengedrückt" und insoweit eine
bremsende Wirkung auf den Rotorflügel, wie in 10 dargestellt,
ausgeübt
wird.
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Nachteilig
bei bestehenden Windkraftanlagen ist der verhältnismäßig geringe Wirkungsgrad. Denn
so kommt es mit zunehmender Länge
der Rotorflügel
zu gegenseitigen Behinderungen, da die Umlaufgeschwindigkeit des
Rotorflügels
an dem inneren Ende, wie in 10 dargestellt,
um ein Vielfaches geringer als am äußeren Ende ist. Hinzu kommt,
dass Rotoren mit Rotorflügeln
großer
Länge aufgrund
der sehr hohen auftretenden Umlaufgeschwindigkeiten im Bereich der äußeren Enden
der Rotorenflügel
nur mit einer sehr geringen Umdrehungsanzahl betrieben werden können. Daher
werden beispielsweise die Rotorflügel um 80° bis teilweise sogar 90° um ihre
Längsachse
verdreht, um die dem Wind entgegengebrachte Fläche der Rotorflügel zu reduzieren.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Windkraftanlage dahingehend zu
verbessern, dass ein höherer
Wirkungsgrad erzielt wird.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass zumindest ein weiterer Rotor mit wenigstens zwei, um eine annährend horizontale
Rotationsachse drehbar gelagerten Rotorflügeln vorgesehen ist, wobei
sämtliche
Rotorflügel
des ersten Rotors jeweils eine einheitliche erste Länge (L)
aufweisen und sämtliche
Rotorflügel
wenigstens eines weiteren Rotors jeweils eine einheitliche zweite
Länge (Ln=1,2...) aufweisen, wobei der erste Rotor und
zumindest ein weiterer Rotor, vorzugsweise alle Rotoren, koaxial
mit einem allenfalls geringen Achsabstand angeordnet sind und eine
einheitliche (virtuelle) Rotationsachse haben, wobei die Rotorflügel der
verschiedenen Rotoren bei axialer Betrachtung, d. h. in Richtung
der Rotationsachse gesehen, keine radiale Überlappung haben. Vorzugsweise
ist die Drehzahl der Rotoren umgekehrt proportional zu dem Durchmesser des
betreffenden Rotors.
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Unter
dem Rotorflügel
wird dabei die Fläche
verstanden, auf die der Wind wirkt und die bewirkt, dass der Rotor
in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Ist der Rotorflügel von
der Rotationsachse beabstandet angeordnet, ist der Rotorflügel über ein
geeignetes Halteelement mit der Rotationsachse verbunden. Dieses Halteelement
kann beispielsweise als Stange oder als Zwischenelement ausgebildet
sein, das mit seinem einen Ende an der Rotationsachse und mit seinem
anderen mit dem Rotorflügel
verbunden ist.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
auch bei bestehenden Windkraftanlagen nachrüstbar. So müssen zwei neue Rotoren und
ein Generator mit zwei Wellenenden nachgerüstet werden, wobei die Rotorflügel des weiteren
Rotors so anzuordnen ist, dass die Rotorflügel der verschiedenen Rotoren
bei axialer Betrachtung, d. h. in Richtung der Rotationsachse gesehen
keine radiale, zumindest keine große radiale, Überlappung
haben.
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Der
maximale Abstand zwischen benachbarten Rotoren ist durch die Konstruktion
und die Größe des betreffenden
Rotorkopfes, an dem die einzelnen Rotoren befestigt sind, vorgegeben
bzw. beschränkt.
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Die
Anordnung der Rotoren kann auf der Lee- oder auf der Luvseite der
Windkraftanlage sein, so dass die entsprechende Windkraftanlage
als Leeläufer
oder als Luvläufer
ausgebildet ist. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
dass sowohl auf der Lee- als auch auf der Luvseite, beispielsweise
auf beiden Seiten eines Turms oder eines Mastes, ein Rotor montiert
ist.
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Der
innere Anfang des weiteren Rotors, d. h. die der Rotationsachse
zugewandten Enden der Rotorflügel
des weiteren Rotors, können
radial gesehen außerhalb
des äußeren Endes
des ersten Rotors, d. h. außerhalb
der der Rotationsachse abgewandten Enden der Rotorflügel des
ersten Rotors, vorgesehen sein, insbesondere außen an das äußere Ende des ersten Rotors
anschließen.
Diese Anordnung gilt selbstverständlich auch
für jeden
weiteren Rotor, beispielsweise zwischen dem zweiten und einem eventuellen
dritten Rotor, einem dritten und einem eventuellen vierten Rotor
usw..
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Weist
die Windkraftanlage beispielsweise nur zwei Rotoren auf, wobei die
Rotorflügel
des ersten Rotors direkt im Bereich der Rotationsachse befestigt
sind und eine Länge
L von 10 m aufweisen, sind die der Rotationsachse zugewandten Enden
der Rotorflügel
des zweiten Rotors zumindest im Abstand von 10 m von der Rotationsachse
entfernt angeordnet. Weisen auch die Rotorflügel des zweiten Rotors eine
Länge L1 von 10 m auf, hat der zweite Rotor einen
Außendurchmesser
von 40 m. Die Rotorflügel
des zweiten Rotors sind über
geeignete Halteelemente, die bei dem beschriebe nen Beispiel den "Freiraum" von 10 m zwischen
der Rotationsachse und den Rotorflügel "überbrücken", verbunden.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
dass auch noch ein dritter, ein vierter Rotor oder noch weitere
Rotoren vorgesehen sind. Sofern nur drei Rotoren vorgesehen sind,
würden
bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
die der Rotationsachse zugewandten Enden der Rotorflügel des
dritten Rotors in einem Abstand von 20 m zur Rotationsachse entfernt
angeordnet sein, so dass bei einer Länge L2 von
10 m der Rotorflügel der
dritte Rotor einen Außendurchmesser
von 60 m hätte.
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Die
erfindungsgemäße Lösung erlaubt
einen höheren
Wirkungsgrad, da alle Rotorflügel,
wie in 11 dargestellt, in etwa die
gleiche Umlaufgeschwindigkeit aufweisen, jedoch die Drehzahl der
Rotoren unterschiedlich ist.
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Die
Rotorflügel
der Rotoren können
in etwa die gleiche Länge
aufweisen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel würde die
Länge L
der Rotorflügel
des ersten Rotors in etwa der Länge
L1 der Rotorflügel des zweiten Rotors bedeuten.
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Es
bietet sich an, wenn die Rotorflügel,
vorzugsweise in einem Winkel von etwa 10° bis 15°, angestellt zur Rotationsachse
ausgerichtet sind. Damit sind die Rotorflügel nicht "streng radial" sondern in einem Winkel angeordnet.
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Damit
sich die Rotoren der jeweiligen herrschenden Windrichtung anpassen
können,
bietet sich an, wenn die Rotoren um eine vertikale Achse drehbar
gelagert sind.
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Um
die Umdrehungsgeschwindigkeit eines Rotors beeinflussen zu können, bietet
sich an, wenn die Rotorflügel
zumindest dieses Rotors um ihre Längsachse drehbar gelagert und
verstellbar sind.
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Die
Rotorflügel
zumindest eines Rotors können
in etwa im Winkel von 60° zueinander
angeordnet sein. Bei einer solchen Ausgestaltung weist der betreffende
Rotor insgesamt sechs Rotorflügel
auf. Selbstverständlich
sind auch Rotoren mit zwei oder auch mehr Rotorflügeln denkbar.
In 6 sind zwei Rotoren mit je drei Rotorflügeln dargestellt.
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Jedem
Rotor kann ein separater Generator zugeordnet sein.
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Es
ist aber durchaus möglich,
dass alle Rotoren, vorzugsweise über
zumindest ein geeignetes Getriebe, einem gemeinsamen Generator zugeordnet
sind. Bei einer solchen Ausgestaltung ist beispielsweise der Generator
am Ende eines Rotors angeordnet. Bei zwei Rotoren kann der Generator
beispielsweise eine durchgehende Welle aufweisen, deren beiden Ende
aus dem Generatorgehäuse
hervorstehenden und auf denen jeweils ein Rotor angeordnet ist.
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Vorzugsweise
kann die Windkraftanlage auch zum Einsatz im Off-Shore-Betrieb,
wie auf Fundamenten, auf schwimmenden Plattformen, auf Schiffen
oder dergleichen geeignet sein. Die Windkraftanlage kann dann nicht
nur an Land, sondern auch Off-Shore, beispielsweise auf einer geeigneten
auch schwimmenden Plattform installiert werden. Auch eine Montage
auf ausgemusterten Ölplattformen
oder ausgemusterten Schiffen, wie Öltankern, ist möglich. Auch
kann die erfindungsgemäße Windkraftanlage
auf Fundamenten montiert sein.
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Im
Folgenden werden in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Vorderansicht auf eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit drei
Rotoren,
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2 eine
Seitenansicht auf den Gegenstand nach 1,
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3 eine
vergrößerte Darstellung
auf die Rotoren nach 1,
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4 den
Gegenstand nach 3 in der Seitenansicht einschließlich Detailansichten,
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5 die
Welle in vergrößerter Ansicht
und
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6 eine
Draufsicht, eine Seitenansicht sowie eine Detailansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
mit zwei Rotoren,
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7 drei
Ansichten von auf einer schwimmenden Plattform montierten Windkraftanlagen
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8 eine
Draufsicht auf einen Rotorflügel
einer bekannten Windkraftanlage mit einem Rotor (Rotordurchmesser
60 m),
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9 eine
Draufsicht auf drei Rotorflügel
einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
mit drei Rotoren (Rotordurchmesser 60 m),
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10 vier
Schnittdarstellungen eines bekannten Rotorflügels (Rotordurchmesser 38 m)
und
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11 Diagramm
(Rotordurchmesser über
die Umlaufgeschwindigkeit).
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In
allen Figuren werden für
gleiche bzw. gleichartige Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen
verwendet.
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In
den Figuren ist eine Windkraftanlage mit drei Rotoren R, R1, R2 dargestellt.
Die Rotoren R, R1, R2 sind
Teil eines Rotorkopfes 1, der um eine vertikale ausgerichtete
Achse 2 drehbar auf einem Turm 3 gelagert ist.
Zur Verdrehung des Rotorkopfes 1 ist der Rotorkopf 1 auf
einer drehbaren Plattform 4 angeordnet.
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Hierzu
sind unterseitig an dem Rotorkopf 1 Rollen 5 vorgesehen,
die auf einer umlaufenden, kreisförmig ausgebildeten und auf
der Oberseite des Turmes 3 vorgesehenen Schiene 6 laufen.
Durch die Anordnung des Rotorkopfes 1 auf der drehbaren
Plattform 4 kann die Windkraftanlage den jeweiligen Windrichtungen
angepasst werden. Für
die Einleitung der Drehbewegung kann beispielsweise ein nicht näher dargestelltes Schneckengetriebe
vorgesehen sein.
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Jeder
Rotor R, R1, R2 weist
Rotorflügel
F, F1, F2 auf. In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weist der erste Rotor R mit dem kleinsten Außendurchmesser von 20 m insgesamt
vier Rotorflügel
F mit der Länge L
von etwa 10 m auf, die an einer um eine Rotationsachse 7 drehenden
Welle 8 befestigt sind.
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Der
zweite Rotor R1 weist einen Außendurchmesser
von etwa 40 m auf, wobei der Rotor R1 insgesamt 12 Rotorflügel F1 mit der Länge Ln=1 von
10 m umfasst. Die Rotorflügel
F1 des Rotors R1 sind,
wie beispielsweise aus 3 ersichtlich, in ihrer Größe und Anordnung
so ausgerichtet, dass sie sich in Richtung der Rotationsachse 7 gesehen
nicht mit den Rotorflügeln
F des Rotors R überlappen.
So befinden sich die äußeren Enden
der Rotorflügel
F des Rotors R in etwa auf der Kreisumfangslinie der inneren Enden
der Rotorflügel
F1 des Rotors R1.
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Der
Rotor R1 weist ein Kranz 9 aus
12 Segmenten mit einem Durchmesser von etwa 20 m auf, der nach Art
eines Speichenrades mittels Halteelementen 10 an der um
die Rotationsachse 7 drehenden Welle 8 befestigt
ist. Auf der äußeren Umfangsfläche des
Kranzes 9 sind die Rotorflügel F1 befestigt.
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Der
dritte Rotor R2 weist ebenfalls einen mittels
speichenartig ausgebildeter Halteelemente 10 an der um
die Rotationsachse 7 drehenden Welle 11 befestigten
Kranz 9 aus 24 Segmenten auf, allerdings mit einem Durchmesser
von etwa 40 m. An diesem Kranz 9 sind umfangsseitig 24
Rotorflügel
F2 vorgesehen, die eine Länge Ln=2 von etwa 10 m aufweisen. Damit hat der
Rotor R2 einen Außendurchmesser von etwa 60
m. Die Rotorflügel
F2 können
im Bereich ihres der Rotationsachse abgewandten freien Endes untereinander
durch geeignete Mittel (wie z. B. Streben) verbunden sein.
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Jedes
Segment der Kränze 9 kann
beispielsweise aus drei Teilen bestehen, die miteinander verschweißt werden.
Die Kränze 9 dienen
als Montage für
die zu befestigten Rotorflügel
F1, F2. In den Kränzen 9 können auch
Kabelführungen
vorgesehen sein. Diese dienen zur Aufnahme von Kabeln, beispielsweise
für nicht
dargestellte Einrichtungen zur Veränderung der Ausrichtung der
Rotorflügel
F, F1, F2.
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Wie
in dem Ausschnitt in 4 ersichtlich, weist jeder Rotorflügel F, F1, F2 der Rotoren
R, R1, R2 an seinem
der Rotationsachse 7 zugewandten Ende ein zylindrisch ausgebildetes
Zwischenelement 12 (Halteelement) auf, das in einer entsprechenden
Ausnehmungen 13 beispielsweise in dem Kranz 9 gelagert
ist. Damit sind die Rotorflügel
F, F1, F2 um ihre
Längsachse 14 verdrehbar.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Rotorflügel
F, F1, F2 nicht
genau radial in Bezug auf die Rotationsachse 7 sondern
in einem Winkel von 10 bis 15° entgegen
der Drehrichtung 15 angestellt. Wie in 3 angegeben,
beträgt
der Winkel bei diesem Ausführungsbeispiel
12° entgegen
der Drehrichtung 15.
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Die
Rotorflügel
F, F1, F2 können eine
Breite von bis zu 2,5 m aufweisen, wobei die Rotorflügel F, F1, F2 über ihre
gesamte Länge
eine gleiche Breite aufweisen.
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Jeder
Rotor R, R1, R2 ist
frei drehbar, so dass alle Rotoren R, R1,
R2 eine unterschiedliche Drehzahl aufweisen
können.
Die Rotoren R, R1, R2 treiben
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
einen seitlich angeordneten Generator 16 an, der aus der
Rotationsbewegung Strom erzeugt. Wie 5 zu entnehmen
ist, sind insgesamt zwei Wellen 8, 11 vorgesehen.
Die Wellen 8, 11 liegen insgesamt in drei Lagern 17.
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Wie
in 5 dargestellt, ist der Rotor R über ein
Planentengetriebe 18 auf der Welle 8 gelagert.
Die Wellen 8, 11 sind über ein herkömmliches
Planetengetriebe 19 verbunden, so dass die unterschiedlichen
Drehzahlen der Rotoren R, R1, R2 entsprechend übersetzt
werden. An dem freien Ende der Welle 11 ist der Generator 16 vorgesehen.
Alternativ kann statt der Planetengetriebe 18, 19 jedem
Rotor R, R1, R2 ein
eigener Generator 16 zugeordnet sein.
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In 6 ist
ein anderes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
dargestellt. Diese weist zwei Rotoren R und R1 mit
je drei Rotorflügeln
F bzw. F1 auf. Die Rotoren R und R1 sind in einem horizontalen Abstand zueinander
angeordnet und Teil des Rotorkopfes 1, der um eine vertikale
ausgerichtete Achse 2 drehbar auf dem Turm 3 gelagert
ist. Beide Rotoren R und R1 sind relativ
zueinander nicht verdrehbar, so dass daher die Rotorflügel F des
Rotors R in Bezug auf die Rotorflügel F1 des
Rotors R1 immer die gleiche Position haben.
Jeder Rotorflügel
F bzw. F1 ist über ein Zwischenelement 12 gelagert,
so dass damit die Rotorflügel
F und F1 um ihre Längsachse 14 verdrehbar
sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Rotoren R und R1 beidseits des
Generators 16 auf einer nicht näher dargestellten gemeinsamen
Welle vorgesehen.
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Diese
Ausführung
eignet sich insbesondere zur Nachrüstung von herkömmlichen
Windkraftanlagen mit lediglich einem Rotor R. So müssen neue
Rotoren R, R1 und ein neuer Generator 16 mit
zwei Wellenenden nachgerüstet
werden. Die Montage des Rotor R1 gegenüber dem
Rotor R erfolgt so, dass sich die Rotorflügel F und F1 der
Rotoren R und R1 in axialer Betrachtung
radial nicht überlappen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wechseln sich die Rotorflügel
F und F1 in einem 60° Winkel zueinander ab.
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Die
erfindungsgemäße Windkraftanlage
kann auf Unterbauten wie Betonpfeilern, Masten, Türmen oder
dergleichen montiert sein. Sie eignet sich auch zu einem Off-Shore-Betrieb
beispielsweise auf einer Plattform 20, wie in 7 dargestellt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
auf der Plattform 20 vier Windkraftanlagen montiert, wobei
die einzelnen Rotorflügel
F, F1, F2 der drei
Rotoren R, R1, R2 nur
bei der rechten Windkraftanlage skizziert sind.
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Die
Plattform 20 kann mittels Anker 21 am Untergrund
verankert sein. In 7 greifen die Anker 21 mittig
an der Plattform 20 an, so dass sich daher die Plattform 20 um
die Verankerung frei drehen kann. Mittels kleiner Schiffsschrauben 22 kann
eine Verdrehbewegung unterstützt
werden.
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Wie
in 7 erkennbar, weist jede Windkraftanlage für eine Feinjustierung
der Windkraftanlage in Bezug auf die Windrichtung eine Drehvorrichtung
auf. Damit kann die Windkraftanlage in Bezug auf die Plattform 20 um
etwa 60° um
eine vertikal ausgerichtete Drehachse gedreht werden. Die Drehvorrichtung
besteht aus einer in der Plattform 20 vorgesehenen zylindrisch
ausgebildeten Ausnehmung 23 und einem in der Ausnehmung 23 befindlichen
Schwimmkörper 24,
auf dem oberseitig die Windkraftanlage montiert ist.
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In 8 ist
ein Ausschnitt einer herkömmlichen
Windkraftanlage mit einem Rotor mit 3 Rotorflügeln bei einem Durchmesser
von 60 m dargestellt. Die Gesamtarbeitsfläche der drei Rotorflügel beträgt nur etwa 5%
der verfügbaren
Kreisfläche
des umlaufenden Rotors.
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Bei
den in 8 angegebenen Abmessungen ergibt sich eine Arbeitsfläche für jeden
Rotorflügel
von etwa 35 m2, so dass damit die Gesamtarbeitsfläche aller
drei Rotorflächen
etwa 105 m2 beträgt. Unter Zugrundelegung eines
Hebelarmes von 12 m (Radius des Schwerpunktes) ergibt sich ein Drehmoment
von 1.260 m3. Damit beträgt bei dem Ausführungsbei spiel
nach 8 die Arbeitsleistung pro Umdrehung 95.001 m4 (Multiplikation des Drehmoments (m3) mit der Wegstrecke (π·DSchwerpunkt),
d. h. Multiplikation von 1.260 m3·(π·24 m)·1 Umdrehung).
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9 zeigt
den Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage gemäß 3.
Die Windkraftanlage weist drei Rotoren R, R1,
R2 auf. Der Rotor R mit dem kleinsten Außendurchmesser
von 20 m weist insgesamt vier Rotorflügel F mit der Länge L von
etwa 8 m auf. Der zweite Rotor R1 hat einen
Außendurchmesser
von etwa 40 m, wobei der Rotor R1 insgesamt
12 Rotorflügel
F1 mit der Länge Ln=1 von
10 m umfasst. Der dritte Rotor R2 weist
einen Außendurchmesser
von etwa 60 m auf und hat 24 Rotorflügel F2 mit
einer Länge Ln=2 von von etwa 10 m.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 3 ergibt sich unter Zugrundelegung der in 9 angegebenen Abmessungen
bei den Rotorflügeln
F eine Arbeitsfläche
von je etwa 20 m2, so dass dem Rotor R eine
Gesamtarbeitsfläche
von etwa 80 m2 zukommt.
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Die
Arbeitsfläche
eines jeden Rotorflügels
F1 des Rotors R1 beträgt etwa
25 m2, so dass sich damit eine Gesamtarbeitsfläche des
Rotors R1 von etwa 300 m2 ergibt.
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Da
die Rotorflächen
F1 und F2 gleich
dimensioniert sind, ergibt sich bei einer Gesamtzahl von 24 Rotorflächen F2 eine Gesamtarbeitsfläche des Rotors R2 von
600 m2, so dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage
mit den Abmessungen nach 9 eine Gesamtarbeitsfläche von
980 m2 aufweist. Unter Zugrundelegung der
Hebelarme von 6 m in Bezug auf den Rotor R, von 15 m in Bezug auf
den Rotor R1 und 25 m in Bezug auf den Rotor
R2 ergibt sich ein Gesamtdrehmoment von
19.980 m3 (480 m3 +
4.500 m3 + 15.000 m3).
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Die
Arbeitsleistungen bezogen auf eine Umdrehung errechnen sich bei
den Abmessungen nach
9 wie folgt:
Rotor R | |
480 m3 (π·12 m)·3 Umdrehungen
= | 54.286
m4 |
Rotor R1 | |
4.500 m3 (π·30 m)·1,5 Umdrehungen
= | 636.172
m4 |
Rotor R2 | |
15.000 m3 (π·50 m)·1 Umdrehung
= | 2.356.194 m 4 |
| Summe | 3.046.652
m4 |
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Damit
ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit den
Abmessungen nach 9 im Vergleich zu einer bekannten
Windkraftanlage mit den Abmessungen nach 8 ein um
den Faktor 32,06 höhere
Arbeitsleistung bei einem gleichen Durchmesser.
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Eine
Windkraftanlage mit zwei Rotoren gemäß 6 und je
drei Rotorflügeln
würde eine
etwa 4,3 mal höhere
Arbeitsleistung beim gleichen Durchmesser mit sich führen.
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Beispielsweise
durch die Anstellung der Rotorflügel,
vorzugsweise in einem Winkel von etwa 12° zur Rotationsachse, kann die
Arbeitsleistung der Windkraftanlage weiter gesteigert werden.
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Beträgt der Außendurchmesser
einer herkömmlichen
Windkraftanlage mit einem Rotor und 3 Rotorflügeln 30 m ergibt sich eine
Gesamtarbeitsfläche
von etwa 43,5 m2 bei einem Hebelarm von
etwa 6,5 m (Radius des Schwerpunktes). Daraus resultiert ein Drehmoment
von etwa 283 m3 (Multiplikation von 43,5
m2 und 6,5 m). Hieraus ergibt sich eine
Arbeitsleistung bei 2 Umdrehungen von etwa 23.075 m4 (283
m3 (π·13 m)·2 Umdrehungen).
Damit ist festzuhalten, dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß 3 mit
den Abmessungen nach 9 und einer Umdrehungszahl von
5 bis 8 Umdrehungen pro Minute etwa 132 (3.046.652 m4/23.075
m4/) herkömmliche Windkraftanlagen mit
einem Rotor und drei Rotorflügeln
bei einem Außendurchmesser
von 30 m ersetzt, wobei die Umdrehungszahl einer solchen herkömmlichen
Windkraftanlage bei etwa bei 8 bis 15 Umdrehungen pro Minute liegt.
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In 10 sind
nochmals im Detail die stark unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten
eines Rotorflügels
einer bekannten Windkraftanlage bei einem Rotordurchmesser von 38
m, einer Rotorumdrehungszahl von 30 Umdrehungen pro Minute und einer
Windgeschwindigkeit von 15 m/Sekunde dargestellt. Während die Umlaufgeschwindigkeit
bei einem Radius von etwa 3,2 m etwa 10 m/Sekunde beträgt, liegt
sie bei einem Radius von 19 m bei 60 m/Sekunde.
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In 11 ist
der Rotordurchmesser über
die Umlaufgeschwindigkeit aufgetragen. Die dick eingezeichnete Linie
zeigt den Verlauf einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit 3 Rotoren,
wie beispielsweise in 3 dargestellt. Deutlich erkennbar
ist, dass die Umlaufgeschwindigkeit der Rotoren R, R1 und
R2 in etwa gleich groß ist, während die Umdrehungszahl Rotoren
R, R1, R2 abweicht.