AT505351A1 - Windrad - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Windrad für eine niedertourige Windkraftanlage mit mehreren Rotorblättem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Windkraftanlagen mit mehreren Rotorblättem sind bekamt und finden immer häufiger bei der alternativen und umweltschonenden Energiegewimung Einsatz. Weit verbreitet sind dabei Windräder mit drei Rotorblättem, welche Windkraftanlagen für den Hochenergiebereich des Windes darstellen und eine Nennleistung von bis zu 6 MW pro Windkraftanlage aufweisen. Eine derartige Windkraftanlage ist dabei üblicherweise weit über 100m hoch und es treten beim Betrieb, aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeit der Rotorblätter von bis zu 300 km/h an der Spitzen, hohe Betriebsgeräusche auf. Die sogenannte Schnelllaufzahl, welche das Verhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitze und der Windgeschwindigkeit darstellt, ist bei diesen Anlagen meist im Bereich von sechs bis acht. Derartige Windkraftanlagen sind in der Herstellung teuer und deshalb für viele Anwendungsgebiete unrentabel und dürfen, aufgrund der Größe und der

Geräuschentwicklung, nur mit vorbestimmtem Abstand zu bestimmten Orten - insbesondere Siedlungsgebieten aufgestellt werden. Für den Einsatz in einem Nennleistungsbereich zwischen 50 kW und 500 kW finden oftmals Windkraftanlagen für den Niedrigenergiebereich des Windes Verwendung. Diese Windkraftanlagen körnen üblicherweise eine Mehrzahl - insbesondere mehr als drei Rotorblätter - aufweisen, da sich Luftverwirbelungen im Bereich eines Rotorblattes nur wenig auf das nächstliegend benachbarte Rotorblatt auswirken. Mittels der Vielzahl der Rotorblätter kam das Windrad auch bei geringer Winkelgeschwindigkeit, also bei geringerer Umdrehungszahl pro Zeiteinheit, die Windkraft effizient nützen. Dabei bleibt die Schnelllaufzahl im Betrieb stets unter fünf. Durch die niedertourige Betriebsweise und den geringeren Durchmesser des Windrades dieser Windkraftanlagen körnen viele Nachteile der Windkraftanlagen für den Hochenergiebereich des Windes vermieden werden, weshalb derartige Windkraftanlagen für den Niedrigenergiebereich des Windes auf vielen Anwendungsgebieten und an vielen Aufstellungsorten immer beliebter werden. Eine Windkraftanlage für den Niedrigenergiebereich des Windes weist dabei meist eine geringere Bauhöhe - beispielsweise unter 50m - als eine Windkraftanlage für den Hochenergiebereich des Windes auf. f· «·«« • · · ·· ··· · ······ · ·« · • · · · ···· I · · · * · · · * · · · · *» ·· I ·«· II « 2

Nachteilig an bislang verwendeten niedertourigen Windkraftanlagen ist jedoch, dass die Winkelgeschwindigkeit des Windrades sich stark mit der Windgeschwindigkeit ändert. Der - vor allem in Bodennähe verstärkt auftretende - böige Wind wirkt sich bei diesen niedrigeren Windkraftanlagen oftmals stark aus. Dies führt wiederum zu Leistungsschwankungen der Windkraftanlage und damit auch zu Schwankungen der Leistungsabgabe. Diese Schwankungen der Leistungsabgabe stellen für das Stromnetz unerwünschte Leistungsschwankungen und Belastungen dar. Insbesondere treten bei kurzzeitigem Stillstand des Windrades große Leistungsschwankungen auf, weshalb - oftmals bei schwachem bis mäßigem Wind - auftretende Flauten das Stromnetz besonders beanspruchen und deshalb der Einsatz unter diesen Bedingungen oftmals nicht sinnvoll ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Windrad für eine niedertourige Windkraftanlage der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können und welches bei schwachen und böig mäßigen Winden sinnvoll und effizient eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.

Der Beschleunigungsring zur Luftbeschleunigung bewirkt dabei eine Beschleunigung der durch den Beschleunigungsring bewegten Luft. Diese Beschleunigung erfolgt in Richtung normal zur Ebene des Windrades. Die in der Projektionsfläche des Windrades zumindest bereichsweise Beschleunigung des Windes, kann die Einflüsse von Windböen reduzieren. Dadurch kann bei böig mäßigem Wind eine größere Konstanz der abgegebenen Leistung ermöglicht werden. Dabei wird auch das Stromnetz weniger belastet, womit der Einsatz der Windkraftanlage bereits bei Luftströmungen geringer Windstärke sinnvoll ist.

Durch den Beschleunigungsring kann auch der Betrieb der Windkraftanlage bei schwachen Winden begünstigt werden. Durch die beschleunigende Wirkung der Luftströmung kann das Windrad bereits bei besonders niedrigen Windgeschwindigkeiten in Rotation versetzt werden, wodurch schwache Winde bereits zur Energieeizeugung nutzbar werden. Dies ermöglicht vor allem den Einsatz an Orten mit — im Jahresmittel gemessen -mäßigen Windgeschwindigkeiten und damit an Orten mit mittleren Luftströmungsgeschwindigkeiten und im Niedrigenergiebereich des Windes.

Vor allem in Bodennähe, wo die Luftströmung aufgrund der verstärkten Böigkeit auch des öfteren komplett zum Erliegen kommt, ist es dabei wichtig, dass das ♦ · ·· t · φφ φφφφ ·«··· ·· · · · ·········» , • · · · ···· * · · · ···· · ···· ·· ♦· · *·· ·· φ 3

Windrad bei einer geringen Luftströmung weiter rotiert und es zu keinem kompletten Stillstand kommt. Mit dem Beschleunigungsring kann dabei auf elektronische Hilfseinrichtungen, welche den Komplettstillstand des Windrades verhindern oder verzögern, verzichtet werden. Dadurch kann der Aufbau weiter vereinfacht werden und die Herstellungskosten der Windkraftanlage können weiter reduziert werden.

Bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten kann eine hohe Kraft an eine Nabe übertragen werden. Entsprechend dem Zusammenhang Leistung gleich Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit, wird dadurch auch bei geringen Windgeschwindigkeiten eine hohe Leistung an die Nabe des Windrades übertragen. Ein besonders effizienter und dauerhafter Betrieb der Windkraftanlage ist dadurch sichergestellt.

Die Unteransprüche, welche ebenso wie der Patentanspruch 1 gleichzeitig einen Teil der Beschreibung bilden, betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Dabei kann der Beschleunigungsring 3 eine Ummantelung des Windrades ersetzen, wodurch der Luftwiderstand des Windrades minimiert und die Effizienz maximiert werden kann.

Der Arbeitsdruck der Rotorblätter kann im Windrad radial nach außen - also in Richtung der Rotorspitzen - verschoben werden. Dadurch kann bei konstantem Wind die Arbeit und damit einhergehend die Leistung erhöht werden. Dies ist vor allem bei schwachen Winden von besonderem Vorteil, wodurch Winde im Niedrigenergiebereich für die Energiegewinnung besser genutzt werden können.

Durch die Beschleunigung der Luftströmung in den Beschleunigungsringen entsteht hinter den Rotorblättem ein Sog. Der Sog kann insbesondere den Start des Windrades auch bei geringen Windgeschwindigkeiten und damit den Wirkungsgrad des Windrades begünstigen.

Durch den umlaufenden Beschleunigungsring kann weiters die Stabilität des Windrades erhöht werden. Damit kann der sichere Einsatz der Windkraftanlage auch bei höheren Windgeschwindigkeiten ermöglicht und der Einsatzbereich der Windkraftanlage weiter erhöht werden. Somit können die Jahresbetriebsstunden weiter eihöht werden und der aufs Jahr hochgerechnete Wirkungsgrad der Windkraftanlage kann verbessert werden. ·········· • · * · ···· · t · » • · · · · ···· ·· ·· · ··· f* « 4

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Windrad einer ersten Ausführungsform in Frontsicht in schematischer Darstellung;

Fig. 2 ein Rotorblatt und zwei - im Schnitt längs der Linie A - A der Fig. 1 dargestellte - Beschleunigungsringe eines Windrades einer zweiten Ausführungsform in schematischer Darstellung;

Fig. 3 ein - im Schnitt normal zur Längserstreckung des Rotorblattes und längs der Linie B - B der Fig. 1 dargestelltes - Rotorblatt mit einem ersten Umströmkörper und einem zweiten Umströmkörper und

Fig. 4 ein Windkraftwerk umfassend ein erfindungsgemäßes Windrad einer dritten Ausführungsform in schematischer Darstellung.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen ein Windrad 1 für eine niedertourige Windkraftanlage 5 mit mehreren Rotorblättem 2, wobei das Windrad 1 - zur Luftbeschleunigung in Richtung normal zur Ebene des Windrades 1 - zumindest einen die Rotorblätter 2 verbindenden Beschleunigungsring 3 des Windrades 1 aufweist.

Das Windrad 1, welches auch als Rotor oder Luftschraube bezeichnet werden kann, ist mittels einer Nabe 15 mit dem Generator der Windkraftanlage 5 verbunden und ist drehbar um eine Zentralachse 14 gelagert. Die Windkraftanlage 5 kann auch als Windenergieanlage, als Wind- oder Windenergiekraftwerk bezeichnet werden.

Das Windrad 1 weist eine Mehrzahl, insbesondere vier oder mehr, Rotorblätter 2 auf. Dadurch kann bereits bei niedriger Umdrehungszahl, welche in Umdrehungen des Windrades 1 pro Minute gemessen werden kann, dem Luftstrom Energie entzogen werden. Durch die Vielzahl von Rotorblättem 2 kann das Windrad bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten in Rotation versetzt werden, wodurch schwache Winde bereits zur Energieerzeugung genutzt werden können. Die Rotorblätter 2 können auch als Windradblätter und/oder als Propellerblätter bezeichnet werden.

Zumindest ein Beschleunigungsring 3 ist im Windrad 1 vorgesehen. Dieser Beschleunigungsring 3, welcher um den gesamten Rotorumfang und im Wesentlichen radial konstant zur zentralen Nabe 15 beabstandet ist, bewirkt eine zusätzliche Beschleunigung in Durchströmrichtung 11 der durch den Beschleunigungsring 3 durchtretenden Luftmassen ·· ·· · · ·« f««t • · · · # ·· · · · ·········· _ • · · · ···· · · · · • · · · · · · · · ·· *· · ··♦ ·« « 5 parallel zur Zentralachse 14 des Windrades 1, wobei unter Beschleunigung eine Geschwindigikeitserhöhung zu verstehen ist.

Meist ist das Windrad 1 gegenüber dem Turm 51 luvseitig angeordnet. Dabei wird durch den Beschleunigungsring 3 Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt, wobei - in Richtung der Zentralachse 14 gesehen - hinter dem Beschleunigungsring 3 ein Unterdrück ausgebildet wird. Derart entsteht in Richtung der Zentralachse 14 ein Sog hinter dem Beschleunigungsring 3 und hinter den Rotorblättem 2. Der Sog bewirkt ein gutes Arbeitsverhalten und eine hohe Effizienz, insbesondere auch bei geringen Windgeschwindigkeiten.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Beschleunigungsring 3 zumindest ein erstes Leitelement 31 und ein zweites Leitelement 32 umfasst, wobei das erste Leitelement 31 und das zweite Leitelement 32 in radialer Richtung 12 des Windrades 1 gesehen voneinander beabstandet sind und einen Luftdurchlass 34 in Richtung normal zur Ebene des Windrades 1 ausbilden.

Die Fig. 1 zeigt ein Windrad 1 einer ersten Ausftihrungsform in Frontsicht in schematischer Darstellung. Dargestellt sind die Nabe 15, zwölf Rotorblätter 2, zwei Beschleunigungsringe 3, je sechs Abstandhalter 37 pro Beschleunigungsring 3, mehrere Luftdurchlässe 34 der Beschleunigungsringe 3, die ersten Leitelemente 31, die zweiten Leitelemente 32, die dritten Leitelemente 33, die vom Zentrum und von der Nabe des Windrades 1 wegweisende radiale Richtung 12, sowie ein äußerer Rand 13 des Windrades 1.

In besonders vorteilhafter Weise kann der Querschnitt des Luftdurchlasses 34 -in der in Fig. 1 nicht dargestellten Durchströmungsrichtung 11 normal zur Ebene des Windrades 1 gesehen - nachfolgend einen den Luftdurchlass 34 verjüngenden Bereich 35 und einen den Luftdurchlass erweiternden Bereich 36 aufweisen. Derart wird besonders wirkungsvoll die Luftbeschleunigung der durch den Beschleunigungsring 3 durchtretenden Luftmassen ermöglicht und die Sogwirkung im Bereich - in Durchströmungsrichtung 11 gesehen - nachfolgend hinter dem Beschleunigungsring 3 und hinter den Rotorblättem 2 gewährleistet. Dadurch kann bereits bei niedriger Windgeschwindigkeit oder niedriger Geschwindigkeit der Luftströmung eine Rotation des Windrades 1 gewährleistet werden. Durch die Ausweitung des sinnvollen Einsatzbereiches - vor allem in Bezug auf den Bereich der Windstärke oder der Windgeschwindigkeit - des Windrades 1 kann der durchschnittliche Wirkungsgrad und der Jahresertrag mit einfachen und kostenschonenden Mitteln erhöht werden. Besonders kann dadurch der Einsatz bereits bei Windgeschwindigkeiten von in etwa beispielsweise 2m/s, vorteilhafterweise 1,5m/s, insbesondere 1,2m/s ermöglicht werden.

Es kann weiters vorgesehen sein, dass der Querschnitt des ersten Leitelements 31 und/oder der Querschnitt des zweiten Leitelements 32 im Wesentlichen stromlinienförmig ausgebildet sind und derart der Luftwiderstand und die Effizienz des Beschleunigungsringes 3 weiter erhöht wird. Ebenso kann das dritte Leitelement 33 und/oder der Abstandhalter 37 stromlinienförmig ausgebildet sein, wodurch der Luftwiderstand weiter minimiert werden kann. Derart ist der Luftwiderstand dieser Leitelemente 31, 32, 33 gering und der Wirkungsgrad hoch.

In der Fig. 1 sind die zwölf Rotorblätter 2 radial benachbart im Winkel von jeweils 30° zum nächstliegenden benachbarten Rotorblatt 2 ausgebildet. Die Rotorblätter 2 können in einer Ausführungsform identisch, oder, insbesondere bei einer geraden Anzahl von Rotorblättem 2, in zwei oder mehr unterschiedlichen Ausführungsformen der Rotorblätter 2 ausgebildet sein. Die unterschiedlichen Ausführungsformen der Rotorblätter 2 können dabei insbesondere alternierend abwechselnd entlang des Umfanges des Windrades 1 ausgebildet sein. Dabei können abwechselnd zum Betrieb bei niedrigen Windgeschwindigkeiten optimierte Rotorblätter 2 mit zum Betrieb bei hohen Windgeschwindigkeiten optimierte Rotorblätter 2 ausgebildet sein. Derart kann die Leistungsabgabe des Windrades 1 und des Windkraftwerkes 5 über einen großen Windbereich konstant gehalten werden. Dies kann besonders vorteilhaft bei Stromnetzen sein, welche empfindlich auf Leistungsschwankungen reagieren und bei welchen ansonsten keine Einspeisung von Windenergie möglich wäre. Die Abgabe des Stromes kann derart besser und vor allem in einem großen Windgeschwindigkeitsbereich konstant voiherbestünmt werden, wodurch ein hoher prozentueller Anteil an Windenergie im an die Windkraftanlage 5 angeschlossenen Stromnetz ermöglicht wird. Dadurch können weitere Einsatzmöglichkeiten für eine erfindungsgemäße Windkraftanlage erschlossen werden.

In der Fig. 1 sind zwei Beschleunigungsringe 3 dargestellt. Einer der beiden ist - in radialer Richtung 12 gesehen - näher zur Nabe 15 als zum äußeren Rand 13 ausgebildet. Der andere der beiden Beschleunigungsringe 3 ist als äußerer Rand 13 des Windrades 1 ausgebildet. Diese vorteilhafte Positionierung der beiden Beschleunigungsringe 3 kann den Arbeitspunkt der Luftströmung entlang der Rotorblätter 2 beeinflussen. Dadurch kann der Arbeitspunkt, welcher in diesem Zusammenhang jenen Punkt am Rotorblatt 2 mit der größten Wechselwirkung zwischen in Durchströmrichtung 11 durchströmender Luftströmung und ·· ·* ♦ « ·· «·«· ·»··· ♦· · · · • ••••♦•fr·· _ • · · ♦ ·♦·· t · · · « · · t · « « · · ·· ♦♦ ♦ ·♦· ·· « 7 dem Rotorblatt 2 bezeichnet, in radialer Richtung 12 in Richtung dem äußeren Rand 13 des Windrades 1 verschoben werden. Dadurch kann ein größeres Moment auf den Generator übertragen werden und bei konstanter Umdrehungszahl des Windrades 1 kann die Leistung erhöht oder bei konstanter Leistung kann die Umdrehungszahl des Windrades 1 verringert werden. Bei einer Verringerung der Umdrehungszahl kann auch die Geräuschentwicklung der Rotorblätter 2, des Windrades 1 und der Windkraftanlage 5 verringert werden, was den Einsatz in der Nähe von Siedlungsgebieten und/oder Erholungsgebieten begünstigt und/oder ermöglicht.

Es können das erste Leitelement 31 und das zweite Leitelement 32 mittels zumindest eines Abstandhalters 37 miteinander verbunden sein. Die in der Fig. 1 dargestellten Abstandhalter 37 sind in vorteilhafter Weise in Position und Anzahl gewählt. Einerseits sollen es möglichst wenige Abstandhalter 37 sein, um den Luftwiderstand zu senken. Anderseits sollen diese Abstandhalter 37 eine größtmögliche Steifigkeit des Windrades 1 ermöglichen. Dazu kann die Anzahl der Abstandhalter 37 genau der Hälfte der Anzahl der Rotorblätter 2 entsprechen und es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Querschnitt des zumindest einen Abstandhalters 37 stromlinienförmig ausgebildet ist. Die einzelnen Abstandhalter 37 können zu den jeweils zwei benachbarten Rotorblättem 2 mit gleichem Abstand beabstandet ausgebildet sein. Derart sind sämtliche Abstandhalter 37 eines Beschleunigungsringes 3 zu deren beiden jeweiligen benachbarten Rotorblättem 2 gleich beabstandet, wodurch Spannungsspitzen im Windrad 1 vermieden werden und das Windrad optimal für den gesamten vorbestimmten Einsatzbereich ausgelegt werden kann. Durch die hohe Steifigkeit des Windrades 1 kann der Einsatzbereich, also jener Windbereich, in welchem die Windkraftanlage 5 betrieben und Leistung ins Stromnetz abgegeben werden kann, auch auf hohe Windgeschwindigkeiten, beispielsweise 12m/s, vorteilhafterweise 15m/s, insbesondere 18m/s, ausgeweitet werden.

Durch die Kombination mehrerer der oben stehenden Merkmale, kann der Einsatzbereich sowohl auf niedrige Windgeschwindigkeiten, als auch auf hohe Windgeschwindigkeiten ausgeweitet werden, wodurch ein Einsatz bei Windgeschwindigkeiten zwischen beispielsweise 2 bis 12 m/s, vorteilhafterweise 1,5 bis 15 m/s, insbesondere 1,2 bis 18 m/s, ermöglicht wird.

Die Fig. 2 zeigt in Aufsicht die Nabe 15, ein vollständiges der Rotorblätter 2 und zwei - im Schnitt dargestellte - Beschleunigungsringe des Windrades 1 einer zweiten Ausführungsform in schematischer Darstellung. Die Nabe 15 ist entlang einer zentralen «· ·· · t ·· «!·· ····· ·· · · · ······ · ·· · t · · « ···· · f | « • · # · · ···· ** ·· ♦ ··· «f « 8

Achse 14 angebracht. Die zentrale Achse 14 stellt den Drehmittelpunkt des Windrades 1 dar. Die Rotorblätter 2 sind mit der Nabe 15 verbunden und sind von dieser radial nach außen sternförmig ausgebildet.

Das in der Fig. 2 dargestellte Rotorblatt 2 ist nach einem vorbestimmten Abstand von dem einen der beiden Beschleunigungsringe 3 durchbrochen. Dabei kann vorgesehen sein, dass - in radialer Richtung 12 des Windrades 1 gesehen - an beiden Seiten des Beschleunigungsrings 3 Rotorblätter 2 angeordnet sind. Dieser Beschleunigungsring 3, welcher innerhalb des Windrades 1 angeordnet ist und daher auch als innenliegender Beschleunigungsring 3 bezeichnet werden kann, umfasst ein erstes Leitelement 31, ein zweites Leitelement 32 und ein drittes Leitelement 33, wobei die Leitelemente 31, 32, 33 stromlinienförmig ausgebildet sind. Ebenso ist der - ebenso im Schnitt dargestellte -Abstandhalter 37 stromlinienförmig ausgebildet. Der Luftwiderstand ist dabei gering und die Effizienz des Beschleunigungsringes 3 hoch.

Der Beschleunigungsring 3 weist dabei einen veqüngenden Bereich 35 zwischen dem ersten Leitelement 31 und dem zweiten Leitelement 32 auf, wobei dieser Bereich auf der luvseitig, also von der gedachten Mitte des Rotorblattes 2 zum Wind und damit entgegen der Richtung des Windes sehend, ausgebildet ist. Der erweiternde Bereich 36 befindet sich zwischen dem ersten Leitelement 31 und dem zweiten Leitelement 32, wobei dieser erweiternde Bereich 36 leeseitig, also von der gedachten Mitte des Rotorblattes 2 in Richtung des Windes sehend, ausgebildet ist. Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist in dem erweiternden Bereich 36 das dritte Leitelement 33 angeordnet. Dieses dritte Leitelement 33 ist in der Ausgestaltung auf das erste Leitelement 31 und das zweite Leitelement 32 abgestimmt. Das in diesem Bereich zusätzliche ausgebildete dritte Leitelement 33 teilt den Luftstrom im Beschleunigungsring 3 in zwei Einzelluftströme. In jedem dieser Einzelluftströme erfolgt wiederum - in Durchströmungsrichtung 11 normal zur Ebene des Windrades 1 gesehen - eine Durchströmung eines veqüngenden Bereiches und die anschließende Durchströmung eines erweiternden Bereiches. Die durch den

Beschleunigungsring 3 durchströmende Luft wird dabei zweimal beschleunigt und eine hohe Effizienz des Beschleunigungsringes 3 wird gewährleistet. Besonders kann die Luftströmung bei geringen Windgeschwindigkeiten beschleunigt werden, wodurch die Rotation des Windrades 1 und die Leistungsabgabe auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten gewährleistet ist und besonders in diesem Windbereich die Effizienz der Windkraftanlage 5 sichergestellt werden kann. ·· ·· · · ·· »··· «···· »· « · 9 ·····» 9 ·» ♦ • · ♦ 9 »999 9 9 9 9 " 9 9 9 9 9 9 9 9 1 99 99 · 999 99 « 9

Dabei kann der Querschnitt des dritten Leitelements 33 stromlinienförmig ausgebildet sein, wodurch der Luftwiderstand des Beschleunigungsringes 3 gering gehalten werden kann und turbulente Strömungszustände vermieden werden.

In vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass das dritte Leitelement 33 zur Umlenkung der Strömung in radialer Richtung 12 ausgebildet ist. Derart kann der Arbeitspunkt, insbesondere der Druckpunkt der Windangriffsfläche, verschoben werden. Mit einfachen Mitteln kann derart die Leistungsabgabe über einen Windgeschwindigkeitsbereich konstant gehalten und/oder für jede dieser Windgeschwindigkeiten der optimale Arbeitspunkt eingestellt werden. Die hohe Effizienz der Windkraftanlage kann dabei in einem weiten Windstärkenbereich, also in einem weiten Bereich der Windgeschwindigkeit, gewährleistet werden.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Beschleunigungsring 3 im Wesentlichen am äußeren Rand 13 des Windrades 1 angeordnet ist. Da der Beschleunigungsring 3 bei dieser Anordnung am äußeren Rand 13 des Windrades 1 angeordnet ist, so kann dieser auch als außenliegender Beschleunigungsring 3 bezeichnet werden. Besonders vorteilhafterweise kann der außenliegende Beschleunigungsring 3 zusätzlich zu einem die Rotorblätter 2 unterbrechenden innenliegenden Beschleunigungsring 3 angeordnet sein. Bei einem großen Windrad 1 können auch mehrere innenliegende Beschleunigungsringe 3 ausgebildet sein. Die maximale sinnvolle Anzahl an innenliegenden Beschleunigungsringen 3 ergibt sich dabei aus der Querschnittsfläche in

Durchströmungsrichtung 11 des Windrades 1, wobei ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Windrades 1 und der Summe der Querschnittsflächen der Beschleunigungsringe 3 von zwei zu eins nicht unterschritten werden sollte, also beispielsweise drei zu eins oder mehr eingehalten werden sollte.

Bei dieser vorteilhaften Anordnung des Beschleunigungsringes 3 im Bereich des äußeren Randes 3 des Windrades 1 kann vorgesehen sein, dass der Beschleunigungsring 3 an seinem - in radialer Richtung 12 des Windrades 1 gesehen - äußeren Ende einen Diffusor 38 aufweist. Derart werden den Wirkungsgrad mindernde Turbulenzen vermieden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt der Rotorblätter 2 zumindest bereichsweise zweiteilig ausgebildet ist und einen ersten Umströmungskörper 21 und wenigstens einen von dem ersten Umströmungskörper 21 beabstandeten zweiten Umströmungskörper 22 umfasst, wobei - in Durchströmungsrichtung 11 gesehen - der zweite Umströmungskörper 22 nachfolgend nach ·· ··♦· ·· ·♦ · · ····· ·· « « · ·········· _ • · · ···· « t · · ···* · · « · « • t ·· · ··· ·» f 10 dem ersten Umströmungskörper 21 angeordnet ist. Dadurch kann auch bei besonders geringen Durchtrittsgeschwindigkeiten der Luftströmung ein Auftriebseffekt an den Rotorblättem 2 ermöglicht werden und die Rotation des Windrades 1 kann bereits bei besonders niedrigen Windgeschwindigkeiten eintreten. Vor allem kann dadurch der Wirkungsgrad bei geringen Windgeschwindigkeiten gesteigert werden und die Nennleistung der Windkraftanlage 5 kann bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten erreicht werden. Derart kann die Nennleistung im Jahresmittel über einen besonders großen Zeitraum abgegeben werden, wodurch eine vorbestimmte Leistung mit geringer Schwankungsbreite über diesen großen Zeitraum ins Stromnetz abgegeben werden kann.

Der erste Umströmungskörper 21 und/oder der zweite Umströmungskörper 22 kann an einem Ende an der Nabe 15 und am dem einen Ende gegenüberliegenden anderem Ende am Beschleunigungsring 3 befestigt sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage, sowie eine kostenschonende und oberflächenquerschnittsoptimierte Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Umströmungskörpers 21, 22. Durch die Montage an beiden Enden der Längserstreckung des ersten und/oder zweiten Umströmkörpers 21, 22 können die in diesen Montagepunkten auftretenden Beanspruchungen gering gehalten werden, wodurch die Belastung der Bauteile im Bereich dieser Montagepunkte gering ist, eine hohe Lebensdauer und ein minimaler Wartungsaufwand dieser Bauteile gewährleistet werden kann.

In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt des ersten Umströmungskörpers 21 stromlinienförmig ausgebildet ist, und/oder dass der Querschnitt des zweiten Umströmungskörpers 22 stromlinienförmig ausgebildet ist.

In der Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 2 mit einem ersten Umströmkörper 21 und einem zweiten Umströmkörper 22 im Schnitt dargestellt, wobei der erste Umströmungskörper 21 und der zweite Umströmungskörper 22 stromlinienförmig ausgebildet sind. Zwischen den beiden Umströmungskörpem 21, 22 ist der Durchströmbereich 34 vorgesehen. Durch diese Anordnung der beiden stromlinienförmigen Umströmungskörper 21, 22 bildet sich bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten eine Auftriebskraft aus, welche das Windrad 1 in Rotation versetzten kann. Das Windrad 1 kann bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten energieeffizient arbeiten und das Windkraftwerk 5 kann bereits eine geringe Windenergie in elektrische Leistung umwandeln.

In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass der erste Umströmungskörper 21 in dem Windrad 1 fest angeordnet ist und dass der zweite Umströmungskörper 22 um eine im Wesentlichen radiale Achse des Windrades bewegbar ·· • · · ····· ···· · ····«# · ·· · • · · · »··· « · · · " • · · · · ···· ·· ·· · ··# ·· · 11 angeordnet ist. Dadurch kann die Leistungsabgabe des Windkraftwerkes 5 über einen großen Windstärkenbereich, also insbesondere im Bereich von 3 m/s bis 18 m/s, konstant gehalten werden und/oder der Wirkungsgrad des Windkraftwerkes 5 über einen großen Windstärkenbereich, also insbesondere im Bereich von 1 m/s bis 18 m/s, optimiert werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass - in Durchströmungsrichtung 11 gesehen - die Länge des zweiten Umströmungskörpers 22 etwa 10% bis etwa 50%, vorzugsweise etwa 12% bis etwa 30%, insbesondere etwa 15% bis etwa 25%, der Länge des ersten Umströmungskörpers 21 beträgt. Dadurch ergeben sich aufeinander abgestimmte Flächenverhältnisse der Oberflächen der beiden Umströmungskörper 21, 22, wodurch der optimale Windstärkenbereich vorbestimmt werden kann und der optimale Wirkungsgrad über einen großen Windstärkenbereich sichergestellt werden kann.

Vorteilhafterweise kann der Querschnitt des Rotorblattes 2 zwischen der Nabe 15 und dem, den kleinsten Durchmesser aufweisenden, Beschleunigungsringes 3 ausgebildet sein. Derart kann der leistungswirksame Energiebeitrag des radial inneren Bereiches der Rotorblätter 2 erhöht werden.

Weiters ist der Einsatz des Windkraftwerkes 5 im Niedrigstenergiebereich des Windes denkbar, also bei Windgeschwindigkeiten zwischen 0,8 und 4 m/s. In diesem Zusammenhang können vorteilhafterweise die Rotorblätter 2 über deren gesamte Längserstreckung von der Nabe 15 zum äußeren Rand 13, insbesondere bis zum Beschleunigungsring 3 im Bereich des äußeren Randes 12, mit zwei- oder mehrteiligem Querschnitt ausgebildet sein. Dabei kann der Querschnitt zumindest bereichsweise wenigstens dreiteilig oder vierteilig ausgebildet sein. Dadurch kann die Wirkleistung vor allem im Bereich kleiner Windgeschwindigkeiten hoch ausgebildet sein. Bei diesen Windgeschwindigkeiten kann der mit der Anzahl der voneinander beäbstandeten Querschnitte eines Rotorblattes 2 steigende Luftwiderstand zusätzlich zur Energiegewinnung beitragen.

Jedoch würde diese Ausgestaltung - ebenso aufgrund des größeren Luftwiderstandes - die Effizienz bei höheren Windstärken abnehmen. Der mögliche Windgeschwindigkeitseinsatzbereich einer derartigen Ausgestaltung der Rotorblattgeometrie könnte im Windgeschwindigkeitsbereich von 0,75 bis 5,5 m/s liegen. Besonders vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Windräder 1 mit einer großen Anzahl von Rotorblättem 2, beispielsweise über 12.

Die Fig. 4 zeigt ein Windkraftwerk 5 umfassend eine weitere Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Windrades 1. In diesem Beispiel sind sieben Rotorblätter 2 im Bereich zwischen Nabe 15 und dem innenliegenden Beschleunigungsring 3 ausgebildet. Zwischen dem innenliegenden Beschleunigungsring 3, welcher einen Durchmesser von in etwa 60% des Durchmessers des Windrades 1 aufweist, und dem außenliegenden Beschleunigungsring 3, dessen Durchmesser in etwa dem des Durchmessers des Windrades 1 entspricht, ist die doppelte Anzahl von Rotorblättem 2 - in diesem Fall 14 - vorgesehen. Derart wird beim Windrad 1 Material und Gewicht gespart. Der Luftwiderstand in Durchströmrichtung 11 kann im Bereich der Nabe 15 und im Bereich um die Nabe 15 minimiert werden.

Auch bei dieser vorteilhaften Ausbildungsform können Diffusor 38 zumindest im Bereich eines der beiden Beschleunigungsringe 3 vorgesehen sein.

Die mehreren vom erfindungsgemäßen Windrad 1 umfassten Beschleunigungsringe 3 können vorteilhafterweise mit - in radialer Richtung 12 - konstanter und/oder identischer Breite ausgebildet sein. Eine optimale Anpassung der Geometrie des Beschleunigungsringes 3 an die mittlere Windgeschwindigkeit - insbesondere am Standort des Windkraftwerkes 5 - wird derart ermöglicht.

Ebenso kann vorgesehen sein, dass die mehreren Beschleunigungsringe 3 jeweils den - in Durchströmrichtung 11 gesehen - gleichen Querschnitt aufweisen. Derart kann eine konstante Beschleunigungswirkung der Beschleunigungsringe 3 über einen größeren Windstärkenbereich gewährleistet werden. Dadurch können vor allem die durch Windböen auftretenden Leistungsschwankungen gering gehalten werden, wodurch über einen großen Windgeschwindigkeitsbereich eine konstante Leistungsabgabe des Windkraftwerkes 5 ermöglicht wird.

Die Beschleunigungsringe 3 erhöhen die Steifigkeit des Windrades 1, weshalb die Rotorblätter 2 einfach und kostenschonend zur Erzielung optimaler oberflächengeometrischer Bedingungen ausgebildet werden können.

Vorteilhafterweise können im Beschleunigungsring 3 Mittel zur Steuerung der Stellung der Rotorblätter 2 zum Wind vorgesehen sein. Dadurch kann einfach und kostenschonend die Rotorblattstellung geändert werden. Dabei können vorteilhafterweise die Rotorblätter 2 zwischen Nabe und nächstliegendem Beschleunigungsring 3 und die Rotorblätter 2 zwischen dem im Bereich des äußeren Randes 13 angeordnetem Beschleunigungsring 3 und dem zu diesem nächstliegendem Beschleunigungsring 3

·· ·* · · ·· ···· ····* ·» · · I «···«· · t« · • · · · ···· « · » * • · · · · ···· ·♦ ·· · ··· ·· · 13 unabhängig voneinander, insbesondere in ihrer Stellung zum Wind, gesteuert werden. Derart kann die Effizienz der Rotorblätter über die gesamte radiale Erstreckung des Windrades 1 in einem großen Geschwindigkeitsbereich der Luftströmung optimiert werden.

Weitere erfindungsgemäße Ausfuhrungsformen weisen lediglich einen Teil der beschriebenen Merkmale auf, wobei jede Merkmalskombination, insbesondere auch von verschiedenen beschriebenen Ausfuhrungsformen, vorgesehen sein kann.

Patentansprüche:

Claims (15)

1. ·· ···» • · · ·· · • · · • · · ·· · ·· ·· · • » ♦ · · · • · ♦ · · · • · · 9 ···· • · · · · ·· ·· * · 14 GIBLER & POTH Patentanwälte OEG Dorotheergasse 7 — A-tOlO Wien - patent@aoo.at Tel: +43 (1) 512 10 98 - Fax: +43 (1) 513 47 76 29776/pt PATENTANSPRÜCHE 1. Windrad (1) für eine niedertourige Windkraftanlage mit mehreren Rotorblättem (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Windrad (1) - zur Luftbeschleunigung in Richtung normal zur Ebene des Windrades (1) - zumindest einen die Rotorblätter (2) verbindenden Beschleunigungsring (3) des Windrades (1) aufweist.
2. 2. Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsring (3) zumindest ein erstes Leitelement (31) und ein zweites Leitelement (32) umfasst, wobei das erste Leitelement (31) und das zweite Leitelement (32) in radialer Richtung (12) des Windrades (1) gesehen voneinander beabstandet sind und einen Luftdurchlass (34) in Richtung normal zur Ebene des Windrades (1) ausbilden.
3. 3. Windrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Luftdurchlasses (34) - in Durchströmungsrichtung (11) normal zur Ebene des Windrades (1) gesehen - nachfolgend einen den Luftdurchlass (34) verjüngenden Bereich (35) und einen den Luftdurchlass erweiternden Bereich (36) aufweist.
4. 4. Windrad nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des ersten Leitelements (31) und/oder der Querschnitt des zweiten Leitelements (32) im Wesentlichen stromlinienförmig ausgebildet sind.
5. 5. Windrad nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem erweiternden Bereich (36) ein drittes Leitelement (33) angeordnet ist.
6. 6. Windrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des dritten Leitelements (33) stromlinienförmig ausgebildet ist. ·· ·· · • · « · · • · · · · · « · · * ···· • · · · · ·· ·· · ··

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7. 7. Windrad nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Leitelement (33) zur Umlenkung der Strömung in radialer Richtung (12) ausgebildet ist. S. Windrad nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (31) und das zweite Leitelement (32) mittels eines Abstandhalters (37) miteinander verbunden sind.
8. 9. Windrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Abstandhalters (37) stromlinienförmig ausgebildet ist.
9. 10. Windrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsring (3) im Wesentlichen am äußeren Rand (13) des Windrades (1) angeordnet ist.
10. 11. Windrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsring (3) an seinem - in radialer Richtung (12) des Windrades (1) gesehen - äußeren Ende einen Diffusor (38) aufweist.
11. 12. Windrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass - in radialer Richtung (12) des Windrades (1) gesehen - an beiden Seiten des Beschleunigungsrings (3) Rotorblätter (2) angeordnet sind.
12. 13. Windrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Rotorblätter (2) zumindest bereichsweise zweiteilig ausgebildet ist und einen ersten Umströmungskörper (21) und wenigstens einen von dem ersten Umströmungskörper (21) beabstandeten zweiten Umströmungskörper (22) umfasst, wobei - in Durchströmungsrichtung (11) gesehen - der zweite Umströmungskörper (22) nachfolgend nach dem ersten Umströmungskörper (21) angeordnet ist.
13. 14. Windrad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des ersten Umströmungskörpers (21) stromlinienförmig ausgebildet ist, und/oder dass der Querschnitt des zweiten Umströmungsköipers (22) stromlinienförmig ausgebildet ist. t· ·♦·· « • · • · • · • · • · • · · t ···· ·· · · • ·· ♦ · · ·· • · · 16
14. 15. Windrad nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umströmungskörper (21) in dem Windrad (1) fest angeordnet ist und dass der zweite Umströmungskörper (22) um eine im Wesentlichen radiale Achse des Windrades bewegbar angeordnet ist.
15. 16. Windrad nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass - in Durchströmungsrichtung (11) gesehen - die Länge des zweiten Umströmungskörpers (22) etwa 10% bis etwa 50%, vorzugsweise etwa 12% bis etwa 30%, insbesondere etwa 15% bis etwa 25%, der Länge des ersten Umströmungskörpers (21) beträgt. Der Patentanwalt: