AT510280B1

AT510280B1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: AT510280B1
Application number: AT0184510A
Authority: AT
Original assignee: Penz Alois
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-03-15
Also published as: WO2012061863A3; WO2012061863A2; AT510280A4

Description

österreichisches Patentamt AT510 280B1 2012-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit einem Aufwindkamin und mit einem den Aufwindkamin umgebenden Kranz von Strömungskanälen zwischen radial zum Aufwindkamin verlaufenden, einen Tragring für den Aufwindkamin aufnehmenden Stützwänden.

[0002] Um Windkräfte vorteilhaft zur Energiegewinnung einsetzen zu können, ist es unter anderem bekannt, Aufwindkamine vorzusehen, in denen eine axial durchströmte Windturbine koaxial angeordnet ist. Mit Hilfe solcher Windkraftanlagen lassen sich nicht nur thermische Aufwinde innerhalb des Aufwindkamins nützen, sondern auch äußere Windströmungen, die den Aufwindkamin über radiale Strömungskanäle beaufschlagen. Durch diese Strömungskanäle, die den Fuß des Aufwindkamins in einem Kranz umschließen, wird die im Wesentlichen bodenparallele Windströmung in eine vertikale Aufwindströmung durch den Aufwindkamin umgelenkt. Aufgrund der durch die jeweilige Windrichtung vorgegebenen, einseitigen Windbeaufschlagung kann allerdings nur der den Aufwindkamin radial anströmende Wind vorteilhaft genützt werden. Dazu kommt, dass sich mit der einseitigen Kaminbeaufschlagung die Strömungsverhältnisse im Aufwindkamin verschlechtern.

[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine Windkraftanlage mit einem über eine Windströmung beaufschlagbaren Aufwindkamin so auszugestalten, dass die Windströmung unter Ausbildung günstiger Strömungsverhältnisse im Aufwindkamin vorteilhaft genützt werden kann.

[0004] Ausgehend von einer Windkraftanlage der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Kranz von Strömungskanälen von einer zu einer Axialebene des Aufwindkamins symmetrischen Windleiteinrichtung umschlossen ist, die eine sich über einen Winkelbereich von 180° erstreckende offene Umfangsseite und eine der offenen Umfangsseite gegenüberliegende geschlossene Umfangsseite aufweist, wobei die Windleiteinrichtung auf der geschlossenen Umfangsseite zwei im Bereich der Symmetrieebene in radialer Richtung an den Kranz von Strömungskanälen anschließende Umfangswände bildet, die sich gegen die offene Umfangsseite hin zunehmend vom Kranz der Strömungskanäle entfernen, und dass die Windleiteinrichtung um die Achse des Aufwindkamins drehbar gelagert ist.

[0005] Durch die den Kranz von Strömungskanälen zur Beaufschlagung des Aufwindkamins umschließende Windleiteinrichtung, die über einen halben Umfangsbereich offen und über einen halben Umfangsbereich geschlossen ausgebildet ist, kann ein sonst tangential am Kranz der Strömungskanäle vorbeiströmender Anteil der Windströmung innerhalb des geschlossenen Umfangbereichs umgelenkt werden, sodass die sonst im Windschatten befindlichen Strömungskanäle mit einer entsprechenden Windströmung beaufschlagt werden können, was zunächst die Ausnützung eines größeren Strömungsanteils des Windes zur Energiegewinnung mit sich bringt. Da aufgrund der durch die Windleiteinrichtung bedingten Strömungsumlenkung die Strömungskanäle auch auf der Windschattenseite mit einem Strömungsanteil beaufschlagt werden, stellen sich innerhalb des Aufwindkamins weitgehend rotationssymmetrische Strömungsverhältnisse ein, die eine wesentliche Voraussetzung für einen guten Wirkungsgrad darstellen. Voraussetzung ist, dass die Windleiteinrichtung gegenüber der jeweiligen Windrichtung ausgerichtet werden kann, was eine drehbare Lagerung der Windleiteinrichtung um die Achse des Aufwindkamins bedingt. Verläuft die Symmetrieebene der Windleiteinrichtung in Windrichtung, so stellen sich symmetrische Anströmverhältnisse für die Strömungskanäle beidseits dieser Symmetrieebene ein.

[0006] Damit über die geschlossene Umfangsseite der Windleiteinrichtung die tangentiale Windströmung nicht nur zu den Strömungskanälen auf der Windschattenseite umgelenkt, sondern auch auf die einzelnen Strömungskanäle weitgehend gleichmäßig aufgeteilt werden kann, kann die Windleiteinrichtung an den Kranz von Strömungskanälen anschließende Leitwände zur Umlenkung der Windströmung in Richtung der Strömungskanäle aufweisen, sodass die laminare Anströmung der einzelnen Strömungskanäle unterstützt wird. Hinsichtlich der Strömungsaufteilung auf die einzelnen Strömungskanäle ergeben sich besonders vorteilhafte Be- 1 /8 österreichisches Patentamt AT510 280B1 2012-03-15 dingungen, wenn die Leitwände eine der Teilung der Strömungskanäle entsprechende Teilung aufweisen, weil in diesem Fall durch die Leitwände die Strömung innerhalb der Windleiteinrichtung bereits entsprechend den Strömungskanälen aufgeteilt wird. Um die Einströmbedingungen in die Windleiteinrichtung strömungstechnisch günstig gestalten zu können, kann außerdem die Windleiteinrichtung auf der offenen Umfangsseite eine gegen den Kranz der Strömungskanäle abfallende, eine Einströmdüse bildende Decke aufweisen.

[0007] Obwohl die Drehverlagerung der Windleiteinrichtung um die Achse des Aufwindkamins in unterschiedlicher Weise konstruktiv gestaltet werden kann, ergeben sich besonders einfache Konstruktionsverhältnisse, wenn die Windleiteinrichtung auf den Aufwindkamin konzentrisch umschließenden Führungsschienen verfahrbar gelagert ist, von denen zumindest eine einen mit wenigstens einem Antriebsritzel kämmenden Zahnkranz trägt. Durch einen entsprechenden Antrieb des Antriebsritzels kann somit die den Aufwindkamin ringförmig umschließende Windleiteinrichtung der jeweiligen Windrichtung nachgeführt werden, sodass stets vorteilhafte An-strömbedingungen für den Aufwindkamin und die im Aufwindkamin installierte Windturbine sichergestellt werden können.

[0008] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt.

[0009] Es zeigen [0010] Fig. 1 [0011] Fig. 2 [0012] Fig. 3 [0013] Fig. 4 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage ausschnittsweise in einer zum Teil aufgerissenen Draufsicht, diese Windkraftanlage in einem Schnitt nach der Linie ll-ll der Fig. 1 in einem größeren Maßstab, einen Schnitt nach der Linie lll-lll der Fig. 1 in einem größeren Maßstab und die Lagerung der Windleiteinrichtung auf einer Führungsschiene in einem Querschnitt in einem größeren Maßstab.

[0014] Die dargestellte Windkraftanlage weist einen Aufwindkamin 1 auf, der über einen Tragring 2 auf bezüglich der Achse des Aufwindkamins 1 radial verlaufenden Stützwänden 3 aufruht. Diese Stützwände 3 bilden zwischen sich Strömungskanäle 4, wie dies insbesondere der Fig. 1 entnommen werden kann. Über diese Strömungskanäle 4 wird der Aufwindkamin 1 mit einer Aufwindströmung beaufschlagt, um eine im Aufwindkamin 1 angeordnete Windturbine 5 zu betreiben, über die ein Generator 6 angetrieben wird. Diese Windturbine 5 ist auf einem den Boden des Aufwindkamins 1 bildenden, zentrischen Konus 7 gelagert, der für eine Umlenkung der radialen Strömung im Bereich der Strömungskanäle 4 in eine axiale Strömung durch die Windturbine 5 sorgt. Zur Unterstützung der laminaren Umlenkung der in den Aufwindkamin 1 eingeleiteten Windströmung können zwischen den Stützwänden 3 entsprechende Umlenkbleche 8 vorgesehen sein.

[0015] Der den Aufwindkamin 1 umgebende Kranz von Strömungskanälen 4 wird von einer ringförmigen Windleiteinrichtung 9 umschlossen, die auf konzentrischen Führungsschienen 10 drehbar gelagert ist. Wie aus der Fig. 4 entnommen werden kann, stützt sich die Windleiteinrichtung 9 über Laufräder 11 auf den Führungsschienen 10 ab, wobei über die Führungsschienen 10 untergreifende Sicherungsrollen 12 ein Abheben der Windleiteinrichtung 9 von den Führungsschienen 10 unterbunden wird. Zum Drehen der Windleiteinrichtung 9 um die Achse des Aufwindkamins 1 ist eine der Führungsschienen 10 mit einer Zahnstange 13 versehen, die mit einem Antriebsritzel 14 kämmt. Wird das Antriebsritzel 14 über die angedeutete Antriebswelle 15 angetrieben, so wird die Windleiteinrichtung 9 in eine entsprechende Drehbewegung versetzt.

[0016] Die Windleiteinrichtung 9 ist symmetrisch zu einer in der Fig. 1 strichpunktiert angedeuteten Axialebene 16 des Aufwindkamins 1 ausgebildet und weist eine sich um einen Winkelbereich von 180° erstreckende offene Umfangsseite 17 sowie eine dieser offenen Umfangsseite 17 gegenüberliegende, geschlossene Umfangsseite 18 auf. Während die offene Umfangsseite 17 gemäß der Fig. 3 eine gegen den Kranz vom Strömungskanal 4 hin abfallende, eine Einlauf- 2/8

Claims

österreichisches Patentamt AT510 280 B1 2012-03-15 düse 19 bildende Decke 20 aufweist, ist die Decke 21 im Bereich der geschlossenen Umfangsseite 18 der Windleiteinrichtung 9 bodenparallel ausgeführt, wie dies aus der Fig. 2 hervorgeht. Der Übergang zwischen der Decke 20 und 21 der Windleiteinrichtung 9 entspricht strömungstechnischen Anforderungen. [0017] Die Windleiteinrichtung 9 umfasst auf der geschlossenen Umfangsseite 18 zwei im Bereich der Symmetrieebene 16 in radialer Richtung an den Kranz der Strömungskanäle 4 anschließende Umfangswände 22, die sich gegen die offene Umfangsseite 17 hin zunehmend vom Kranz der Strömungskanäle 4 entfernen, sodass sich zwischen den Umfangswänden 22 und dem Kranz der Strömungskanäle 4 ein endseitig geschlossener, gegenüber den Strömungskanälen 4 offener Leitkanal ergibt, der zusätzlich durch Leitwände 23 unterteilt wird, die die über die offene Umfangsseite 17 einströmende, zum Kranz der Strömungskanäle 4 tangentiale Windströmung auf die einzelnen Strömungskanäle 4 aufteilt, wie dies in der Fig. 1 durch die eingezeichneten Strömungspfeile veranschaulicht wird. [0018] Da die Windleiteinrichtung 9 aufgrund ihrer drehbaren Lagerung um die Achse des Aufwindkamins 1 stets gegenüber der jeweiligen Windrichtung so ausgerichtet werden kann, dass die Symmetrieebene 16 in Windrichtung verläuft, werden die einzelnen Strömungskanäle 4 weitgehend gleichmäßig über den Umfang angeströmt, weil eben durch die Windleiteinrichtung 9 eine Umlenkung der Windströmung sichergestellt wird, sodass auch die sonst im Windschatten befindlichen Strömungskanäle 4 angeströmt werden. [0019] Um die Aufwindströmung im Aufwindkamin 1 zu unterstützen, kann die durch die Strömungskanäle 4 in den Aufwindkamin 1 einströmende Luft zusätzlich erwärmt werden, und zwar im Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger, der über strichpunktiert angedeutete Rohrleitungen 24 gepumpt wird, die in den Strömungskanälen 4 entsprechend verlegt sind. Über einen solchen Wärmeträger, üblicherweise Wasser oder Dampf, kann beispielsweise in Industrieanlagen anfallende, sonst nicht genutzte Abwärme zur Energiegewinnung in einer Windkraftanlage genützt werden. Patentansprüche 1. Windkraftanlage mit einem Aufwindkamin (1) und mit einem den Aufwindkamin (1) umgebenden Kranz von Strömungskanälen (4) zwischen radial zum Aufwindkamin (1) verlaufenden, einen Tragring (2) für den Aufwindkamin (1) aufnehmenden Stützwänden (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Kranz von Strömungskanälen (4) von einer zu einer Axialebene (16) des Aufwindkamins (1) symmetrischen Windleiteinrichtung (9) umschlossen ist, die eine sich über einen Winkelbereich von 180° erstreckende offene Umfangsseite (17) und eine der offenen Umfangsseite (17) gegenüberliegende geschlossene Umfangsseite (18) aufweist, wobei die Windleiteinrichtung (9) auf der geschlossenen Umfangsseite (18) zwei im Bereich der Symmetrieebene in radialer Richtung an den Kranz von Strömungskanälen (4) anschließende Umfangswände (22) bildet, die sich gegen die offene Umfangsseite (17) hin zunehmend vom Kranz der Strömungskanäle (4)entfernen, und dass die Windleiteinrichtung (9) um die Achse des Aufwindkamins (1) drehbar gelagert ist.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleiteinrichtung (9) an den Kranz von Strömungskanälen (4) anschließende Leitwände (23) zur Umlenkung der Windströmung in Richtung der Strömungskanäle (4) aufweist.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitwände (23) eine der Teilung der Strömungskanäle (4) entsprechende Teilung aufweisen.
4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleiteinrichtung (9) auf der offenen Umfangsseite (17) eine gegen den Kranz der Strömungskanäle (4) abfallende, eine Einströmdüse (19) bildende Decke (20) aufweist. 3/8 österreichisches Patentamt AT510 280 B1 2012-03-15
5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleiteinrichtung (9) auf den Aufwindkamin (1) konzentrisch umschließenden Führungsschienen (10) verfahrbar gelagert ist, von denen zumindest eine einen Zahnkranz (13) trägt, mit dem wenigstens ein Antriebsritzel (14) kämmt. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 4/8