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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Nutzung der Windkraft, bei der der Wind über den offenen Querschnitt einer vertikalen Mantelfläche strömt, wobei am unteren Ende der Mantelfläche durch eine oder mehrere Öffnungen Luft angesaugt wird und innerhalb der Mantelfläche ein Rotor angeordnet ist. Ferner Ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Entlüftung von Bauwerken unter Verwendung einer erfmdungsgemässen Vorrichtung.
Aus der US-PS 40 36 916 ist bekannt, den Unterdruck, der durch einen über einen Kühlturm streifenden Wind in diesem erzeugt wird, zur Energiegewinnung auszunutzen. Dieser Effekt ist jedoch so gering, dass eine riesige Querschnittsfläche und/oder zusätzlich die durch die Abwärme entstehende Konvektion für den Betrieb benötigt wird.
In der US-PS 40 18 543 wird eine Whirlwind-Anlage beschrieben, die diesen Effekt gleichermassen nutzt. Da dieser Effekt hier eher in noch geringerem Masse auftritt, wird für den Betrieb der Anlage eine Windsammelvornchtung mit dem mehrfachen Durchmesser des vom Wind überstrichenen Zylinders notwendig.
Die DE-31 28 936 A1 schlägt zur Verstärkung des Sogs/Drucks torpide Diffusoren/Deflektoren vor, die eine scherkraftfreie Ab-/Einleitung der Strömung gewährleisten sollen. Diese Vorrichtungen sind für eine Anlage mit zyklonischer Strömung vorgesehen, so dass durch die Öffnung zum Abzug der Strömung das Innere der Anlage den Unbilden der Witterung ausgesetzt ist.
In der DE-30 09 844 A1 wird vorgeschlagen, mittels eines in einem Kühlturm montierten Rotors das Innere des Kühlturms zur Erhöhung seiner Kühlleistung zu entlüften. Dieses Verfahren kann nur zur Entlüftung des Kühlturms verwendet werden, da ansonsten der angestrebte Zweck, die Verbesserung der Abwärmeabgabe, zunichte gemacht werden würde, und es andererseits unzweckmässig wäre, zur Entlüftung von anderen Bauwerken eigens einen Kühlturm zu errichten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Nutzung der Windkraft zu schaffen, die es ermöglicht, dass bei vernünftigen Abmessungen und unter Erzeugung einer Im wesentlichen laminaren Strömung sowie bei gleichzeitigem Schutz vor Witterungseinflüssen der durch einen Wind verursachte Unterdruck ausgenutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der offene Querschnitt der vertikalen Mantelfläche von einer flächigen Abdeckung überdeckt ist.
Demgemäss ist es bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung wesentlich, dass der Wind über einen offenen Querschnitt einer vertikalen Mantelfläche strömt, wobei dieser Querschnitt sich nach unten im wesentlichen stetig verjüngt, wodurch ein Konzentrationseffekt erzielt wird, dass sich am unteren offenen Querschnitt ein Rotor befindet, die durch diesen erzeugte Rotation in vorzugsweise elektrische Energie umgewandelt wird, und dass über dem oberen offenen Querschnitt eine Abdeckung angebracht ist, durch die die Strömungsgeschwindigkeit des Windes, der eine laminare Strömung innerhalb der Mantelfläche erzeugt, erhöht wird und die das Innere vor Witterungseinflüssen schützt.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Abdeckung als eventuell versteiften Hohlkörper auszubilden und als Wasserreservoir zu verwenden, wobei die Zu- und Ableitung innerhalb der Stützsäule geführt werden kann.
Die Abdeckung kann zusätzlich zu einer Befestigung durch am oberen Rand der Mantelfläche angebrachte Stützstäbe mittig durch eine zentral angeordnete Stützstange abgestützt werden. Die Geschwindigkeit der Luftströmung kann durch eine plankonvexe bzw. -ellipoide oder konvexe bzw. ellipsoid Ausführung der Abdeckung wesentlich erhöht werden.
Es ist zweckmässig, wenn der Rotor eine konische Verkleidung aufweist, wobei die Rotorflügel vorzugsweise an der Schmalstelle zwischen Verkleidung und Mantelfläche angeordnet sind.
Vorteilhaft kann es auch sein, den Rotor als Turbine auszuführen, d. h. mit relativ kleinen Rotorblättern und einer mittigen luftundurchlässigen Verkleidung, die feststehend oder drehbar über die Höhe der Rotorblätter weitergeführt und an der Stützsäule gelagert oder befestigt sein kann. Der Wirkungsgrad kann weiterhin durch eine Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter verbessert werden, was durch zwischen den Rotorblättern und der Rotornabe angebrachte Federn erfolgt, die bei Windstille die Rotorblätter in eine durch einen Anschlag vorgegebene Anfahrstellung ziehen und mit steigender Windgeschwindigkeit den Anstellwinkel bis zum Maximalwert ändern, da die auf die Rotorblätter wirkende Kraft abhängig von der
Strömungsgeschwindigkeit ist.
Unter dem Aspekt der Betriebssicherheit ist es auch von Vorteil, je nach AusführungsgröBe ober- und/oder unterhalb des Rotors Schutzgitter zum Schutz von Kleintieren wie Vögel, Katzen etc. oder Kindern bzw. Erwachsenen anzubringen. Speziell das obere Schutzgitter kann zur Erzeugung einer laminaren und möglichst wirbelfreie Luftströmung als Gitterrost ausgebildet sein.
Um den zwischen dem oberen und unteren Rohrende herrschenden Differenzdruck zu vergrössern, kann es vorteilhaft sein, zwischen den Lufteintrittsöffnungen Windleitbleche anzubringen, die ein direktes Durch-
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strömen des Windes unterhalb des Rotors verhindern.
Weiterhin ist es vorteilhaft, einen Generator im Rotor zu integrieren. Dies kann durch eine Anbringung innerhalb der Rotornabe oder entlang des Rotorumfangs geschehen. Die letztere Variante ermöglicht eine hohe Umfangsgeschwindigkeit der die elektromotorische Kraft erzeugenden Dauermagnete, wodurch sich auch ohne Getriebe ein hoher Wirkungsgrad erzielen lässt. Zudem können die einzelnen W ! ndungsansch) üs- se herausgeführt und so auf einfache Weise entsprechend den jeweiligen Anforderungen zusammengeschaltet werden.
Zur Verringerung der Reibungsverluste. insbesondere des Losbrechmomentes sowie des Wartungsaufwandes wird ein axiales Magnetiager vorgeschlagen. das aus einer Aufhängung aus magnetisch leitfähigem Material besteht, an dem der oder die Magnete gemäss dem Stand der Technik hängend angeordnet sein können, wobei zwei oder mehr solcher Anordnungen in jeweils gleichen Winkeln an der zu tragenden Achse befestigt sind.
Ein weiteres Achslager wird vorgeschlagen, bei dem auf einem magnetisch nicht leitfähigen Material, das als Unterbau fungiert, ein magnetisch leitfähiges Material angebracht ist und die Magnete entsprechend der ersten Ausführungsform an der hier schwebend aufgehängten Achse angeordnet sind.
Die Aufnahme axialer Kräfte kann dabei durch ein oder mehrere hängende und/oder schwebende Magnetlager erfolgen, mit einem Gleitlager zur Aufnahme radialer Kräfte bzw. Fixierung.
Die Mantelfläche kann vorteilhaft durch ein stoffartiges Material ausgebildet werden, das durch Stäbe versteift wird. Die Stäbe können durch versetzte Anordnung der Anfangs- bzw Endpunkte auf zwei übereinanderliegenden Kreisen das Gitternetz zweier mit ihren Spitzen aufeinanderstehenden Kegelstümpfe bilden, das mittels Krelsnngen verschiedenen Durchmessers verstärkt wird.
Von Vorteil ist es weiters, eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Entlüftung von Bauwerken, z. B.
Tunnel oder Fabrikhallen, einzusetzen, wobei die Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird und bei Unterschreitung einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit der Rotor zusätzlich bzw. ausschliesslich vom Generator angetrieben wird.
Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Vorrichtung unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt :
Fig. 1 : eine teilweise aufgeschnittene Darstellung der Einrichtung in erster Ausführungsform,
Fig. 2 : die schematische Darstellung eines Rotors,
Fig. 3 : die schematische Ansicht eines Magnetlagers,
Fig. 4 : eine Aufsicht auf Fig. 3,
Fig. 5 : eine schematische Darstellung der Einrichtung in zweiter Ausführungsform,
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:In Fig. 1 Ist eine erfindungsgemässe Windkraftanlage 1 in erster Ausführungsform dargestellt, mit einem konvexen Windleitkörper 3, der sowohl bzgl. seiner Mittenachse, deren Verlängerung die ihn tragende Stützsäule 7 bildet, als auch zur Mittelnaht 2 symmetrisch ist. Der Windleitkörper 3 wird auch durch die an der oberen Umkrampung 5 des Hüllblechs 17 angebrachten Stützstäbe 4 in seiner Position gehalten. Im oberen Teil des durch das Hüllblech 17 eingeschlossenen Gebietes befindet sich ein Gitterrost 6, der sowohl als Schutz als auch zur wirbetarmen Luftableitung dient. Im Bereich des kleinsten Querschnitts der Mantelfläche sind die Rotorblätter 11 angeordnet, die an der Nabe des Rotors 9 verdrehbar befestigt sind und dessen Nabe mit der unteren 12 und der oberen Rotorverkleidung 8 weitergeführt wird.
Unterhalb des Rotor 9 befindet sich ein weiteres Schutzgitter 13. Am unteren Ende des Hüllblechs 17, an der eine untere Umkrampung 16 ausgebildet ist, die auf dem Boden 18 ruht und mit dieser zusätzlich verankert werden kann, befinden sich die Lufteintrittsöffnungen 15 und die Windleitbleche 14, die ein direktes Durchströmen der Luft von Lufteintrittsöffnung 15 zu Lufteintrittsöffnung 15 verhindern. Mittels der Spannseile 19 wird der Windleitkörper 3 zusätzlich gesichert.
Fig. 2 zeigt die automatische Verstellung eines Rotorblattes 11, das auf einer Achse 23, die mit einem Splint 22 gesichert ist. drehbar gelagert ist. Zwischen dem oberen Ende des Rotorblattes 11, an dem sich eine Befestigungsöse 21 befindet, und einer Halterung am Rotorsegment 27 ist eine Zugfeder 24 angebracht, die bei Windstille das Rotorblatt 11 in die durch den Anschlag 26 definierte Anfahrstellung klappt.
Die schwebende axiale Lagerung mittels eines ringförmigen magnetischen Leiters 29, der auf einem als Unterbau dienenden Messingring 31 befestigt ist, zeigt Fig. 3. Die Anordnung der Pole der Magnete 28 kann in bekannter Weise gemäss dem Stand der Technik erfolgen.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit drei paarweise angeordneten Magneten 28, die über einem magnetschen Leiter 29 schweben und miteinander einen Winkel von je 120. einschliessen.
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Flg. 5 ist eine Darstellung einer erfindungsgemässen Windkraftanlage 1 in zweiter Ausführungsform, mit einer flächigen Abdeckung 32, die an Stützstäben 4 und einer Stützsäule 7 befestigt ist. Das Hüllblech 17
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Boden 18 als Ballast dient. Das Hüllblech 17 wird von an seinem unteren Ende angebrachten Stützen getragen, die zur Vermeidung von Missverständnissen nicht eingezeichnet wurden.
In Fig. 6 wird eine automatische Drosselung des Luftdurchsatzes bzw. Sturmsicherung dargestellt. An einem Balken 36 ist eine Drosselklappe 34 mittels eines Scharniers 35 schwenkbar befestigt. Zwischen einer Befestigungsöse 21, die sich am oberen Rand der Drosselklappe 34 befindet, und einer Halterung 25 am Balken 36 ist eine Zugfeder 24 angebracht, die bei niedrigen Windgeschwindigkeiten die Drosselklappe 34 gegen den Balken 36 zieht. Bei Sturm reduziert sich der Luftdurchlass bis auf ein durch den Abstandshalter 37 einstellbares Minimum. Ein gänzlicher Verschluss wird nicht angestrebt, um ein Schlagen bzw. Flattern der Drosselklappe zu vermeiden.
Fig. 7 zeigt die Konstruktion eines Doppelkegelstumpfes 38 aus kreisförmig angeordneten windschiefen Stützstäben 4, die mittels mit diesen verbundenen Kleisringen 39 versteift werden, und der anschliessend z. B. mit einer Stoffbahn umwickelt wird.
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Bezugszeichenliste
1. Windkraftanlage
2. Mittelnaht
3. Windleitkörper
4. Stützstab
5. obere Umkrampung
6. Gitterrost
7. Stützsäule
8. obere Rotorverkleidung
9. Rotor 10. ---- 11. Rotorblatt
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12. untere Rotorverkleidung 13. Schutzgitter 14. Windleitblech 15. Lufteintrittsöffnung 16. untere Umkrampung 17. Hüllblech 18. Boden 19. Spannseil 20. ---- 21. Befestigungsöse 22. Splint 23. Achse 24. Zugfeder 25. Halterung 26. Anschlag 27. Rotorsegment 28.
Magnet 29. magnetischer Leiter 30. ---- 31. Messingring 32. Abdeckung 33. Generator 34. Drosselklappe 35. Scharnier 36. Balken 37. Abstandshalter 38. Doppelkegelstumpf 39. Kreisring
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