EP1702159A1 - Mantelwindturbine - Google Patents

Mantelwindturbine

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Publication number
EP1702159A1
EP1702159A1 EP03789068A EP03789068A EP1702159A1 EP 1702159 A1 EP1702159 A1 EP 1702159A1 EP 03789068 A EP03789068 A EP 03789068A EP 03789068 A EP03789068 A EP 03789068A EP 1702159 A1 EP1702159 A1 EP 1702159A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wind
wind power
energy
power plant
sectional area
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03789068A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Reitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MA.MAGIE AIR ENERGY GMBH
Original Assignee
Kott Klaus-Manfred
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kott Klaus-Manfred filed Critical Kott Klaus-Manfred
Publication of EP1702159A1 publication Critical patent/EP1702159A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/04—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D15/00—Transmission of mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D15/00—Transmission of mechanical power
    • F03D15/10—Transmission of mechanical power using gearing not limited to rotary motion, e.g. with oscillating or reciprocating members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/40—Use of a multiplicity of similar components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/93—Mounting on supporting structures or systems on a structure floating on a liquid surface
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine for converting wind energy into electrical energy and a method for generating electrical energy from wind energy in a wind turbine.
  • wind turbines By promoting renewable energy concepts, such wind turbines have been the subject of technical research and development for several years.
  • today's wind turbines are usually equipped with horizontal axis rotors, which must be tracked to the wind direction.
  • the optimal use is given when the air flowed through the rotor surface has just enough energy to flow away, in order to develop no braking effect.
  • the point was determined at which the speed of the wind is reduced to a good third when passing through the surface described by the rotor.
  • the number of rotor blades is insignificant for the energy efficiency.
  • the mechanical energy generated by the rotor blades is guided via gear and rotor shaft to a generator, which converts them into electrical energy.
  • the masts usually have a height of 10 to 100 m, with increasing height not only the energy yield, but also the construction costs due to the complex statics.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a wind turbine that ensures a reliable conversion of the kinetic energy of the wind into electrical energy even at strongly fluctuating or extreme wind speeds.
  • the wind turbine has a wind tunnel with a first cross-sectional area, in the area of which the device for converting wind energy into mechanical energy is arranged, and that a wind power bundling device is provided which has an inlet opening with a second, compared to the first cross-sectional area having a larger cross-sectional area and which is adapted to direct a entering into the inlet port wind stream without substantial turbulence as a laminar flow in the wind tunnel.
  • Due to this structural design the total kinetic energy of the wind contained in the large cross-sectional area can be directed into the narrower wind tunnel, where due to the smaller dimensions, easier processing is possible.
  • due to the higher wind speed in the wind tunnel it is possible to use wind energy even at low wind speeds.
  • it is possible at particularly high wind speeds to limit the kinetic energy of the wind by changing the diameter of the wind tunnel or dissipation of parts of the wind so that the system can produce electricity even at extremely high wind speeds.
  • the wind turbine has a Windstromverbreiterungsvorraum, which is arranged behind the wind tunnel and having an outlet opening with a third, compared to the first cross-sectional area larger cross-sectional area.
  • a Windstromverbreiterungsvorraum which is arranged behind the wind tunnel and having an outlet opening with a third, compared to the first cross-sectional area larger cross-sectional area.
  • the wind turbine on a suitable rotatable support device, so that the inlet opening can always be aligned in the direction of wind flow.
  • the rotatable support device preferably has a float, which is guided immersed in a container with liquid.
  • the forces acting on the support device are advantageously compensated particularly well that between the side walls of the container and the float a narrow space is arranged, which is at least partially filled in the immersed state of the float by liquid columns.
  • an alignment sail is arranged in the outer area of the wind turbine.
  • the device for converting wind energy into mechanical energy has a plurality of rotor blades, which are connected at their outer ends by means of an annular connecting element, and the connecting element runs in a circular guide rail.
  • At least one further wind tunnel is preferably provided, which surrounds the first wind tunnel and can be opened and closed.
  • rotor blades are also arranged in the further wind tunnel, are connected to one another at their inner ends by means of a second annular connecting element, wherein the connecting element runs in a second circular guide rail, and the rotor blades at their outer ends are connected by means of a third annular connecting element, wherein the connecting element has outwardly pointed teeth, which serve for engagement with a gear.
  • Fig. 1 is a sketched cross-sectional view of an embodiment of the upper part of the wind turbine according to the invention
  • Fig. 2 is a sketched cross-sectional view of a second embodiment of the upper part of the wind turbine according to the invention with several wind channels;
  • FIG. 3 is an end view of the wind tunnels of the wind turbine of FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of a wind power broadening device of a wind power plant according to the invention.
  • Fig. 5 is a sketched cross-sectional view of a wind turbine according to the invention.
  • FIG. 1 a first embodiment of the upper part of a wind turbine 1 according to the invention is shown.
  • the wind turbine 1 has an elongate building element 3, which at one end face an inlet opening 5 and at the other end side an outlet opening 7 shows.
  • the cross-sectional area of the inlet opening 5 is preferably circular and has a diameter of between 5 and 70 m, and depending on the arrangement of the other elements, a different diameter is conceivable.
  • the cross-sectional area of the outlet opening 7 in the present example is identical to that of the inlet opening 5, but other geometrical shapes or other size ratios are also conceivable.
  • a wind power bundling device 8 is arranged, which is designed funnel-shaped in the present case and directs the wind flow in narrowing flow lines to a wind tunnel 9.
  • the wind tunnel 9 preferably also has a circular cross-section and has a significantly smaller diameter than the inlet opening 5.
  • a device for converting the kinetic energy of the wind into mechanical energy 10 is arranged.
  • the devices for converting the kinetic wind energy into mechanical energy and then into electrical energy on the one hand may be a commercial turbine with a connected generator or any other known from the prior art device. A preferred embodiment of such a device 10 will be described in detail later with reference to FIG.
  • a wind power broadening device 12 is arranged, which is formed in the present example case as a reverse funnel and derives the braked by the device 10 wind flow back into the environment.
  • the operating principle of the wind turbine 1 will be explained below.
  • the wind flow enters the inlet opening 5 and is compressed by the funnel-shaped wind power bundling device 8 laminar in the direction of the wind tunnel 9, whereby the speed of the wind flow increases and at the same time the static pressure decreases.
  • kinetic energy is withdrawn from the wind by the device 10, and this is thereby decelerated.
  • the wind passing past the wind turbine 1 develops at the end of the outlet opening 7 a suction which accelerates the slow wind currents contained in the wind power broadening device 12 outwards again. This creates a kind of double Venturi nozzle in which the kinetic energy of the wind in the wind tunnel 9 is converted.
  • FIG. 2 a second embodiment of the upper part of a wind turbine 1 according to the invention is shown.
  • the inner wind tunnel 9 are further wind channels 14 concentrically arranged, which show a ring shape.
  • Each of the wind channels 14 can be opened and closed, which is done in the illustrated example case by moving suitable wall sections 15 of the wind power bundling device 8.
  • the wall sections 15 are moved by means of circumferential hinges 16 which are located in the area of the funnel, and the mechanical design of the opening and closing construction is such that the wall sections 15 mutually overlap when moved inwardly.
  • either the central wind tunnel 9 or an arbitrary number of other wind tunnels 14 are additionally opened by the movement of the wall sections 15 so that the speed achieved in each wind tunnel is relatively constant and changes in the speed of the wind flow are open Close additional wind channels 14 can be compensated, so that the generator can always run in the optimum range of rotation.
  • the additional opening and closing of the further wind passages 14 can either be person-controlled or the wind speed can be reduced. automatically adjust the use of wind sensors and suitable control circuits.
  • further devices 18 for converting the kinetic energy of the wind into mechanical energy which are detailed below with reference to FIG.
  • movable wall sections 19 of the wind power widening device 12, which move around further joints 20, can be arranged at the rear end of the wind passages 14.
  • a first device 10 for converting the kinetic energy of the wind into mechanical energy is included in the inner wind tunnel 9, a first device 10 for converting the kinetic energy of the wind into mechanical energy is included.
  • the device has four rotor blades 22, which are connected at their inner end to a shaft 24 and withdraw kinetic energy from the wind flowing through the wind tunnel 9 in a manner known per se, because due to the aerodynamic configuration of the rotor blades 22, these are themselves in the wind power and thus drive the shaft 24, which in turn is connected to a generator (not shown) for generating electrical energy.
  • a generator not shown
  • the second and third wind tunnel 14 also each have rotor blades 28, which are connected to one another at their inner ends by means of a further annular connecting element 30.
  • a further annular connecting element 30 In the illustrated example case eight of these rotor blades 28 are arranged in the second wind tunnel 14, in the third wind tunnel 12 are.
  • the annular connecting element 30 is guided in each case in a further circular guide rail (not shown), in which it runs relatively smoothly.
  • the rotor blades are connected at their outer ends to each other by means of a further annular connecting element 32, which has, for example, spikes towards the outside (not shown).
  • FIG. 4 shows a particularly preferred embodiment of the wind power broadening device 12.
  • 7 guide elements 34 are arranged in the region of the outlet opening, which produce air flow channels with a small cross-sectional area. The flowing past the wind turbine 1 air generated in these channels a particularly high suction effect, so that the decelerated by the device 10 air flow due to the channel effect undergoes a special acceleration to the outlet port 7 out. It is also conceivable to insert further guide elements behind the outlet opening 7, which guide the wind flowing past the wind turbine 1 in the direction of the outlet openings of the air flow channels and thus further enhance the suction effect.
  • Fig. 5 shows a sketched cross-sectional view of a complete wind turbine 1.
  • the previously described upper part of the wind turbine 1 rests on a support plate 38 which is fixedly connected to a rotatable support device 40.
  • the support device comprises a carrier 42 and a floating body 44 connected thereto, which is immersed in about two thirds in a liquid bath 46, which is located in a container 48. Between float 44 and the side walls of the container 48 only a narrow area is provided, in which the liquid columns can rise and fall, depending on the loads acting on the support 40 over the upper part of the wind turbine 1. Due to the size ratios ensures that the float 44 only relatively small height differences, preferably in the millimeter range covers.
  • the float 44 is guided on the side walls of the container 48 via suitable guide means (not shown).
  • suitable guide means not shown.
  • the wind turbine according to the invention can be used both on land and on water, and it is also conceivable in terms of a balanced energy concept to use the electricity obtained at least partially for the production of hydrogen, which can then be stored.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (1) mit einer Vorrichtung (10) zum Umwandeln der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie und mit einer Vorrichtung zum Umwandeln der erzeugten mechanischen Energie in elektrische Energie und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Windkanal (9) mit einer ersten Querschnittsfläche aufweist, in dessen Bereich die Vorrichtung (10) zum Umwandeln von Windenergie in mechanische Energie angeordnet ist, und dass eine Windstrombündelvorrichtung (8) vorgesehen ist, die eine Einlassöffnung (5) mit einer zweiten, im Vergleich zur ersten Querschnittsfläche grösseren Querschnittsfläche aufweist und die dazu geeignet ist, einen in die Einlassöffnung (5) eintretenden Windstrom ohne wesentliche Verwirbelung als laminare Strömung in den Windkanal (9) zu leiten.

Description

MANTELWINDTURBINE
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie sowie ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Windenergie in einer Windkraftanlage.
Durch die Förderung von Konzepten zur Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien sind derartige Windkraftanlagen seit einigen Jahren Gegenstand technischer Forschung und Entwicklung. Die bislang eingesetzten Windkraftanlagen arbeiten weit überwiegend nach dem Auftriebsprinzip, wobei aerodynamisch geformte Rotorblätter eingesetzt werden. Unter Berücksichtigung dieses Prinzips werden die heutigen Windkraftanlagen zumeist mit Horizontalachsenrotoren ausgestattet, die der Windrichtung nachgeführt werden müssen. Für Windkraftanlagen ergibt sich die Forderung nach Mindestabständen von Hindernissen, die zur Verwirbelung der Luftströmung führen können, da nur laminare Strömungen verarbeitet werden können. Grundsätzlich gilt, daß mit steigender Höhe sowohl die Windgeschwindigkeit als auch die Gleichmäßigkeit des Windes ansteigen. Bei den heutigen Windkraftanlagen ist die optimale Nutzung dann gegeben, wenn die durch die Rotorfläche geströmte Luft gerade noch genug Energie zum Wegströmen besitzt, um keine Bremswirkung zu entfalten. Hierfür wurde der Punkt ermittelt, an dem die Geschwindigkeit des Windes beim Durchtritt durch die vom Rotor beschriebene Fläche auf gut ein Drittel reduziert wird. Die Anzahl der Rotorblätter ist für den energetischen Wirkungsgrad unbedeutend. Anschließend wird über Getriebe und Rotorwelle die durch die Rotorblätter erzeugte mechanische Energie zu einem Generator geführt, der diese in elektrische Energie umgewandelt. Teilweise existieren Leichtgetriebe, die die Kräfte direkt von der Nabe auf das Getriebe übertragen und so auf die schwere Rotorwelle verzichten können. Die Masten weisen üblicherweise eine Höhe von 10 bis 100 m auf, wobei mit zunehmender Höhe nicht nur der Energieertrag, sondern auch die Errichtungskosten aufgrund der aufwendigen Statik steigen.
Allerdings gibt es dennoch einige Nachteile, die die Windkraftanlagen des Standes der Technik aufweisen. In erster Linie ist es von Nachteil, daß durch die ständige Änderung der natürlichen Windgeschwindigkeit die Kraft schwankt, die auf den Generator übertragen werden kann, während bei Windgeschwindigkeiten von unter 4 m/s (etwa Windstärke 3) faktisch keine Umwandlung der kinetischen Energie des Windes mehr möglich ist. Steigt hingegen die Windgeschwindigkeit über Windstärke 10 (ca. 26 m/s), müssen die Rotoren in Segelstellung gebracht werden, weil sie sonst der mechanischen Belastung nicht mehr standhalten. In erster Linie ist dies auf die erheblichen statischen Belastungen aufgrund der großen Dimensionierung der Rotorblätter zurückzuführen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage zu schaffen, die auch bei stark schwankenden bzw. extremen Windgeschwindigkeiten eine zuverlässige Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie gewährleistet.
Dies wird dadurch erreicht, daß die Windkraftanlage einen Windkanal mit einer ersten Querschnittsfläche aufweist, in dessen Bereich die Vorrichtung zum Umwandeln von Windenergie in mechanische Energie angeordnet ist, und daß eine Windstrombündelvorrichtung vorgesehen ist, die eine Einlaßöffnung mit einer zweiten, im Vergleich zur ersten Querschnittsfläche größeren Querschnittsfläche aufweist und die dazu geeignet ist, einen in die Einlaßöffnung eintretenden Windstrom ohne wesentliche Verwirbelung als laminare Strömung in den Windkanal zu leiten. Aufgrund dieser konstruktiven Ausgestaltung kann die gesamte kinetische Energie des Windes, die in der großen Querschnittsfläche enthalten ist, in den engeren Windkanal geleitet werden, wo aufgrund der geringeren Dimensionen eine leichtere Verarbeitung möglich ist. Zudem wird aufgrund der höheren Windgeschwindigkeit im Windkanal auch bei geringen Windgeschwindigkeiten eine Nutzung von Windenergie ermöglicht. Schließlich ist es bei besonders hohen Windgeschwindigkeiten möglich, durch Veränderung des Durchmessers des Windkanals bzw. Ableitung von Teilen des Windstroms die kinetische Energie des Windes derart zu begrenzen, daß die Anlage auch bei extrem hohen Windgeschwindigkeiten Strom produzieren kann.
Vorteilhafterweise weist die Windkraftanlage eine Windstromverbreiterungsvorrichtung auf, die hinter dem Windkanal angeordnet ist und eine Auslaßöffnung mit einer dritten, im Vergleich zur ersten Querschnittsfläche größeren Querschnittsfläche aufweist. Durch diese Maßnahme werden die statischen Druckverhältnisse hinter dem Windkanal verbessert, und der an der Windkraftanlage vorbeistreichende Wind kann durch die entstehende Sogwirkung die von der Umwandlungsvorrichtung im Windkanal abgebremste Luft aus der Auslaßöffnung herausziehen. Beim Einsatz von geeigneten Leitelementen, die Luftströmungskanäle mit geringer Querschnittsfläche erzeugen, kann diese Sogwirkung noch verstärkt werden.
Bevorzugt weist die Windkraftanlage eine geeignete drehbare Stützvorrichtung auf, so daß die Einlaßöffnung stets in Richtung des Windstroms ausgerichtet werden kann.
Um eine möglichst reibungsfreie und sichere Drehung der Windkraftanlage zu gewährleisten, weist die drehbare Stützvorrichtung vorzugsweise einen Schwimmkörper auf, der geführt in einen Behälter mit Flüssigkeit eingetaucht ist.
Die auf die Stützvorrichtung wirkenden Kräfte werden vorteilhafterweise dadurch besonders gut kompensiert, daß zwischen den Seitenwänden des Behälters und dem Schwimmkörper ein schmaler Zwischenraum angeordnet ist, der im eingetauchten Zustand des Schwimmkörpers zumindest teilweise durch Flüssigkeitssäulen ausgefüllt ist.
Für eine automatische Ausrichtung der Anlage in Windrichtung ist es von Vorteil, wenn ein Ausrichtungssegel im Außenbereich der Windkraftanlage angeordnet ist.
Neben der Verwendung herkömmlicher Turbinen im Windkanal ist es von besonderem Vorteil, wenn die Vorrichtung zum Umwandeln von Windenergie in mechanische Energie mehrere Rotorblätter aufweist, die an ihren äußeren Enden mittels eines ringförmigen Verbindungselementes verbunden sind, und das Verbindungselement in einer kreisförmigen Führungsschiene läuft.
Zu einer besseren Kontrolle der zu verarbeitenden kinetischen Energie des Windes ist vorzugsweise mindestens ein weiterer Windkanal vorgesehen, der den ersten Windkanal umgibt und geöffnet und geschlossen werden kann.
Zur Optimierung der gewonnenen Leistung ist es von Vorteil, wenn Rotorblätter auch in dem weiteren Windkanal angeordnet sind, an ihren inneren Enden mittels eines zweiten ringförmigen Verbindungselementes miteinander verbunden sind, wobei das Verbindungselement in einer zweiten kreisförmigen Führungsschiene läuft, und die Rotorblätter an ihren äußeren Enden mittels eines dritten ringförmigen Verbindungselementes verbunden sind, wobei das Verbindungselement nach außen hin Zacken aufweist, die zum Eingriff mit einem Zahnrad dienen. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Darin zeigt
Fig. 1 eine skizzierte Querschnittsansicht einer Ausführungsform des oberen Teils der erfindungsgemäßen Windkraftanlage;
Fig. 2 eine skizzierte Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des oberen Teils der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit mehreren Windkanälen;
Fig. 3 einen stirnseitige Ansicht der Windkanäle der Windkraftanlage aus Fig. 2;
Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform einer Windstromverbreiterungsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage; und
Fig. 5 eine skizzierte Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform des oberen Teils einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1 dargestellt. Die Windkraftanlage 1 weist ein längliches Gebäudeelement 3 auf, das an der einen Stirnseite eine Einlaßöffnung 5 und an der anderen Stirnseite eine Auslaßöffnung 7 zeigt. Die Querschnittsfläche der Einlaßöffnung 5 ist vorzugsweise kreisförmig und besitzt einen Durchmesser von zwischen 5 und 70 m, wobei je nach Anordnung der weiteren Elemente auch ein anderer Durchmesser denkbar ist. Die Querschnittsfläche der Auslaßöffnung 7 ist im vorliegenden Beispielsfall identisch zu der der Einlaßöffnung 5, es sind aber auch andere geometrische Formen bzw. andere Größenverhältnisse denkbar. Direkt hinter der Einlaßöffnung 5 ist eine Windstrombündelvorrichtung 8 angeordnet, die im vorliegenden Fall trichterförmig ausgestaltet ist und den Windstrom in sich verengenden Strömungslinien zu einem Windkanal 9 leitet. Der Windkanal 9 weist vorzugsweise ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt auf und besitzt einen deutlich geringeren Durchmesser als die Einlaßöffnung 5. Im Bereich des Windkanals 9, im vorliegenden Beispiel an dessen Ende, ist eine Vorrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie 10 angeordnet.
Die Vorrichtungen zum Umwandeln der kinetischen Windenergie in mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie können einerseits eine handelsübliche Turbine mit angeschlossenem Generator oder jede andere aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung sein. Eine bevorzugte Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung 10 wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 später detailliert beschrieben.
Hinter dem Windkanal 9 ist eine Windstromverbreiterungsvorrichtung 12 angeordnet, die im vorliegenden Beispielsfall als umgekehrter Trichter ausgebildet ist und den durch die Vorrichtung 10 abgebremsten Windstrom wieder in die Umgebung ableitet.
Das Funktionsprinzip der Windkraftanlage 1 wird im Folgenden erläutert. Der Windstrom tritt in die Einlaßöffnung 5 ein und wird durch die trichterförmige Windstrombündelvorrichtung 8 laminar in Richtung des Windkanals 9 verdichtet, wodurch sich die Geschwindigkeit des Windstroms erhöht und gleichzeitig der statische Druck abnimmt. Im Windkanal 9 wird durch die Vorrichtung 10 dem Wind kinetische Energie entzogen, und dieser wird dadurch abgebremst. Der an der Windkraftanlage 1 vorbeistreichende Wind entwickelt am Ende der Auslaßöffnung 7 einen Sog, der die in der Windstromverbreiterungsvorrichtung 12 enthaltenen langsamen Windströme wieder nach außen beschleunigt. Somit entsteht eine Art doppelte Venturidüse, bei der die kinetische Energie des Windes im Windkanal 9 umgewandelt wird.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des oberen Teils einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1 dargestellt. Um den inneren Windkanal 9 herum sind weitere Windkanäle 14 konzentrisch angeordnet, die eine Ringform zeigen. Jeder der Windkanäle 14 kann geöffnet und geschlossen werden, was im dargestellten Beispielsfall durch Bewegung geeigneter Wandabschnitte 15 der Windstrombündelvorrichtung 8 erfolgt. Die Wandabschnitte 15 werden mittels umlaufender Gelenke 16 bewegt, die sich im Bereich des Trichters befinden, und die mechanische Ausgestaltung der öffnungs- und Schließkonstruktion ist derart, daß sich die Wandabschnitte 15 bei Bewegung nach innen gegenseitig überlappen. Durch die Bewegung der Wandabschnitte 15 wird somit entweder nur der mittlere Windkanal 9 oder eine beliebige Anzahl von anderen Windkanälen 14 zusätzlich geöffnet, so daß die in jedem Windkanal erzielte Geschwindigkeit zum einen relativ konstant ist und zum anderen Änderungen in der Geschwindigkeit des Windstroms durch öffnen und Schließen zusätzlicher Windkanäle 14 ausgeglichen werden können, so daß der Generator immer im optimalen Drehbereich laufen kann. Das zusätzliche öffnen und das Schließen der weiteren Windkanäle 14 kann entweder personengesteuert erfolgen oder sich der Windgeschwindigkeit un- ter Einsatz von Windsensoren und geeigneter Steuerschaltungen automatisch anpassen. Um die Windströme in den äußeren Windkanälen 14 ebenfalls zu verwerten, sind vorteilhafterweise in den Windkanälen 14 weitere Vorrichtungen 18 zum Umwandeln der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie vorhanden, die unter Bezugnahme auf Fig. 3 weiter unten detailliert dargestellt werden. Am hinteren Ende der Windkanäle 14 können wiederum bewegliche Wandabschnitte 19 der Windstromverbreiterungsvorrichtung 12 angeordnet sein, die sich um weitere Gelenke 20 bewegen. Genauso ist es aber auch möglich, alle Windkanäle 14 nach hinten offen zu lassen.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung von drei Windkanälen 9, 14 gezeigt. Im inneren Windkanal 9 ist eine erste Vorrichtung 10 zum Umwandeln der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie enthalten. Die Vorrichtung weist in der dargestellten Ausführungsform vier Rotorblätter 22 auf, die an ihrem inneren Ende mit einer Welle 24 verbunden sind und in an sich bekannter Weise dem durch den Windkanal 9 strömenden Wind kinetische Energie entziehen, weil aufgrund der aerodynamischen Ausgestaltung der Rotorblätter 22 diese sich im Windstrom drehen und damit die Welle 24 antreiben, die wiederum mit einem Generator (nicht gezeigt) zum Erzeugen von elektrischer Energie verbunden ist. Zur besseren Stabilisierung der Rotorblätter 22 sind diese an ihrem äußeren Ende mittels eines ringförmigen Verbindungselementes 26 miteinander verbunden, das möglichst reibungsfrei in einer kreisförmigen Führungsschiene (nicht gezeigt) verläuft. Somit können auch sehr hohe Windgeschwindigkeiten umgesetzt werden, ohne daß die mechanischen Beanspruchungen der Vorrichtung 10 eine Abschaltung der Windkraftanlage 1 erfordern.
Der zweite und dritte Windkanal 14 weist ebenfalls jeweils Rotorblätter 28 auf, die an ihren inneren Enden mittels eines weiteren ringförmigen Verbindungselementes 30 miteinander verbunden sind. Im dargestellten Beispielsfall sind acht dieser Rotorblätter 28 im zweiten Windkanal 14 angeordnet, im dritten Windkanal sind es 12. Das ringförmige Verbindungselement 30 ist jeweils in einer weiteren kreisförmigen Führungsschiene (nicht gezeigt) geführt, in der es relativ reibungsfrei läuft. Zur Verwertung der erzeugten mechanischen Energie in den äußeren Windkanälen 14 sind die Rotorblätter an ihren äußeren Enden miteinander mittels eines weiteren ringförmigen Verbindungselementes 32 verbunden, das nach außen hin beispielsweise Zacken aufweist (nicht gezeigt). Diese Zacken können bei der Drehbewegung der Rotorblätter 28 beispielsweise in geeignete Zahnräder (nicht gezeigt) eingreifen, welche die kinetische Energie zu einem Generator transferieren. In Fig. 4 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Windstromverbreiterungsvor- richtung 12 dargestellt. In diesem Fall sind im Bereich der Auslaßöffnung 7 Leitelemente 34 angeordnet, die Luftströmungskanäle mit geringer Querschnittsfläche erzeugen. Die an der Windkraftanlage 1 vorbeiströmende Luft erzeugt in diesen Kanälen eine besonders hohe Sogwirkung, so daß der von der Vorrichtung 10 abgebremste Luftstrom aufgrund der Kanalwirkung eine besondere Beschleunigung zur Auslaßöffnung 7 hin erfährt. Es ist ebenfalls denkbar, weitere Leitelemente hinter der Auslaßöffnung 7 einzufügen, die den an der Windkraftanlage 1 vorbeiströmenden Wind in Richtung der Auslaßöffnungen der Luftströmungskanäle leiten und die Sogwirkung somit noch weiter verstärken.
Fig. 5 zeigt eine skizzierte Querschnittsansicht einer kompletten Windkraftanlage 1. Der bislang beschriebene obere Teil der Windkraftanlage 1 liegt auf einer Stützplatte 38 auf, die fest mit einer drehbaren Stützvorrichtung 40 verbunden ist. Die Stützvorrichtung weist einen Träger 42 sowie einen damit verbundenen Schwimmkörper 44 auf, der zu etwa zwei Dritteln in einem Flüssigkeitsbad 46 eingetaucht ist, welches in einem Behälter 48 befindlich ist. Zwischen Schwimmkörper 44 und den Seitenwänden des Behälters 48 ist lediglich ein schmaler Bereich vorgesehen, in dem die Flüssigkeitssäulen steigen und fallen können, abhängig von den Belastungen, die über den oberen Teil der Windkraftanlage 1 auf die Stützvorrichtung 40 wirken. Durch die Größenverhältnisse ist gewährleistet, daß der Schwimmkörper 44 nur relativ geringe Höhenunterschiede, bevorzugt im Millimeterbereich, zurücklegt. Seitlich ist der Schwimmkörper 44 an den Seitenwänden des Behälters 48 über geeignete Führungsmittel (nicht gezeigt) geführt. Somit kann eine Ausrichtung der Einlaßöffnung 5 in den Windstrom erzielt werden. Bei Verwendung eines auf dem oberen Teil der Windkraftanlage 1 angeordneten Ausrichtungssegels 50 wird die Anlage automatisch in Windrichtung gedreht, wozu die nahezu reibungsfreie Drehung der Stützvorrichtung im Flüssigkeitsbad 40 einen erheblichen Beitrag leistet.
Die geometrischen Verhältnisse bzw. die mechanischen Lösungen zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee beschränken sich natürlich nicht auf die dargestellten Formen, vielmehr sind alle gleichwirkenden mechanischen Ausgestaltungen ebenfalls einsetzbar.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage ist sowohl zu Lande als auch zu Wasser einsetzbar, und es ist außerdem im Sinne eines ausgewogenen Energiekonzepts denkbar, den gewonnenen Strom zumindest teilweise zur Erzeugung von Wasserstoff zu verwenden, der anschließend gespeichert werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Windkraftanlage (1) mit einer Vorrichtung (10) zum Umwandeln der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie und mit einer Vorrichtung zum Umwandeln der erzeugten mechanischen Energie in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Windkanal (9) mit einer ersten Querschnittsfläche aufweist, in dessen Bereich die Vorrichtung (10) zum Umwandeln von Windenergie in mechanische Energie angeordnet ist, und daß eine Windstrombündelvorrichtung (8) vorgesehen ist, die eine Einlaßöffnung (5) mit einer zweiten, im Vergleich zur ersten Querschnittsfläche größeren Querschnittsfläche aufweist und die dazu geeignet ist, einen in die Einlaßöffnung (5) eintretenden Windstrom ohne wesentliche Verwirbelung als laminare Strömung in den Windkanal (9) zu leiten.
2. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Windstrombündelvorrichtung (8) im wesentlichen trichterförmig ausgebildet ist.
3. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Windstromverbreiterungsvorrichtung (12) aufweist, die hinter dem Windkanal (9) angeordnet ist und eine Auslaßöffnung (7) mit einer dritten, im Vergleich zur ersten Querschnittsfläche ebenfalls größeren Querschnittsfläche aufweist.
4. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windstrom- verbreiterungsvorrichtung (12) im wesentlichen trichterförmig ausgebildet ist.
5. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windstromverbreiterungsvorrichtung (12) Leitelemente (36) aufweist, die Luftströmungskanäle mit geringer Querschnittsfläche erzeugen.
6. Windkraftanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine geeignete drehbare Stützvorrichtung (40) aufweist, so daß ei- ne Ausrichtung der Einlaßöffnung (5) in den Windstrom eingestellt werden kann.
7. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Stützvorrichtung (40) einen Schwimmkörper (44) aufweist, der geführt in einen Behälter (48) mit Flüssigkeit eingetaucht ist und dort nahezu reibungsfrei drehbar ist.
8. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Seitenwänden des Behälters (48) und dem Schwimmkörper (44) ein schmaler Zwischenraum angeordnet ist, der im eingetauchten Zustand des Schwimmkörpers (44) zumindest teilweise durch Flüssigkeitssäulen ausgefüllt ist.
9. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausrichtungssegel (50) im Außenbereich der Windkraftanlage (1) angeordnet ist, das eine automatische Ausrichtung der Einlaßöffnung (5) in den Windstrom gewährleistet.
10. Windkraftanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) zum Umwandeln von Windenergie in mechanische Energie mehrere Rotorblätter (22) aufweist, die im Windkanal (9) angeordnet sind.
11. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (22) an ihren äußeren Enden mittels eines ringförmigen Verbindungselementes (26) miteinander verbunden sind, und das Verbindungselement (26) in einer kreisförmigen Führungsschiene läuft.
12. Windkraftanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Windkanal (14) vorgesehen ist, der den ersten Windkanal (9) umgibt und der geöffnet und geschlossen werden kann.
13. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Rotorblätter (28) in dem weiteren Windkanal (14) angeordnet sind, die an ihren inneren Enden mittels eines zweiten ringförmigen Verbindungselementes (30) verbunden sind, und das Verbindungselement (30) in einer zweiten kreisförmigen Führungsschiene läuft.
14. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (28) an ihren äußeren Enden mittels eines dritten ringförmigen Verbindungselementes (32) verbunden sind, wobei das Verbindungselement (32) nach außen hin Zacken aufweist, die zum Eingriff mit einem Zahnrad dienen.
15. Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Windenergie in einer Windkraftanlage (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Windstrom in einer Eingangsöffnung (5) mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche aufgenommen wird und ohne wesentliche Verwirbelung als laminare Strömung in einen Windkanal (9) geleitet wird, der eine geringere Querschnittsfläche als die Einlaßöffnung (5) aufweist, wobei die Windenergie des gebündelten Windstroms im Bereich des Windkanals (9) mittels einer geeigneten Vorrichtung (10) in mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie umgewandelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Windkraftanlage (1) vorbeistreichende Luft eine Sogwirkung auf die abgebremste Luft hinter der Umwandlungsvorrichtung (10) ausübt.
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