AT510956B1 - Windkraftanlage - Google Patents

Abstract

Es wird eine Windkraftanlage mit einem einen Aufwindkamin (1) ringförmig umschließenden Kranz von Strömungskanälen (2) und mit in den Strömungskanälen (2) angeordneten Windturbinen (6) beschrieben. Um den Aufwindkamin baulich und energetisch vorteilhaft zu nützen, wird vorgeschlagen, dass die Strömungskanäle (2) zwischen radial zum Aufwindkamin (1) verlaufenden, einen ringförmigen Träger (4) für den Aufwindkamin (1) aufnehmenden Stützwänden (3) verlaufen und dass der Mantel des Aufwindkamins (1) zumindest bereichsweise als Wohngebäude (17) ausgebildet, das mit warmer Aufwindströmung beaufschlagbare Wärmetauscher (19) umfasst.

Description

österreichisches Patentamt AT510 956 B1 2012-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit einem einen Aufwindkamin ringförmig umschließenden Kranz von Strömungskanälen und mit in den Strömungskanälen angeordneten, Windturbinen.

[0002] Windkraftanlagen, die eine Aufwindwirkung nützen, umfassen im Allgemeinen einen Aufwindkamin, der von einem ihn umschließenden, vorzugsweise mit einem lichtdurchlässigen Dach abgedeckten Kollektorraum aufragt, sodass die im Kollektorraum durch Sonneneinstrahlung erwärmte Luft aufgrund ihrer geringeren Dichte im Aufwindkamin aufsteigt. Mit der kinetische Energie der sich dadurch im Aufwindkamin ergebenden Strömung wird eine im Aufwindkamin angeordnete Windturbine beaufschlagt, die einen elektrischen Generator antreibt. Da Aufwindkraftanlagen erst für höhere Leistungen wirtschaftlich eingesetzt werden können, ergeben sich für den Aufwindkamin vergleichsweise große Abmessungen, was wiederum eine entsprechend groß dimensionierte Windturbine bedingt. Um wirtschaftlichere Windturbinen ersetzen zu können, wurde bereits vorgeschlagen, statt einer großen, konzentrisch im Aufwindkanal gelagerten Windturbine einen Kranz von kleineren Windturbinen in voneinander getrennten, radialen Strömungskanälen vorzusehen, die den Kollektorraum mit dem Aufwindkanal verbinden (Youtube-Video: EnviroMission-Solar Power, http://www.youtube.com/watch?v=pTkmTs-KLRqO). Der Aufwindkamin stellt ein aufwendiges, großdimensioniertes Bauwerk dar, das lediglich zur Strömungsführung genützt wird.

[0003] Darüber hinaus ist es bekannt (WO 2005/008065 A1), einen Aufwindkamin zumindest teilweise als Wohngebäude zu nützen. Die Windturbinen sind allerdings im Aufwindkamin selbst untergebracht.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Aufwindkamin einer Windkraftanlage einem weiteren Anwendungsbereich zuzuführen, und zwar unter einer vorteilhaften Ausnützung der mit solchen Aufwindkaminen verbundenen Eigenschaften und Gegebenheiten.

[0005] Ausgehend von einer Windkraftanlage der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Strömungskanäle zwischen radial zum Aufwindkamin verlaufenden, einen ringförmigen Träger für den Aufwindkamin aufnehmenden Stützwänden verlaufen und dass der Mantel des Aufwindkamins zumindest bereichsweise als Wohngebäude ausgebildet, das mit warmer Aufwindströmung beaufschlagbare Wärmetauscher umfasst.

[0006] Durch das Vorsehen von radialen Stützwänden bezüglich der Achse des Aufwindkamins können trotz eines den Aufwindkamin umschließenden Kranzes von Strömungskanälen vorteilhafte Bedingungen für die Lastabtragung des Aufwindkamins in ein Fundament geschaffen werden, wenn die Auflast durch den Aufwindkamin über einen ringförmigen Träger auf diese Stützwände übertragen wird. Der Aufwindkamin kann daher auch aufwendiger gebaut werden, wie dies durch die Ausbildung des Aufwindkamins als Wohngebäude erforderlich ist. Die zumindest teilweise Nutzung des Aufwindkamins als Wohngebäude bringt nicht nur Kostenersparnisse im Vergleich zu einem von einem Aufwindkamin gesonderten Wohngebäude mit sich, sondern erlaubt auch, die fühlbare Wärme der Aufwindströmung zur Erwärmung des Wohngebäudes ohne zusätzlichen Konstruktionsaufwand zu nützen, weil ja die Innenwand des Wohngebäudes die Innenwand des Mantels des Aufwindkamins darstellt und mit der fühlbaren Abwärme der Aufwindströmung unmittelbar beaufschlagt wird, sodass die Abwärme der Aufwindströmung über die Innenwand an das Wohngebäude abgegeben werden kann. Solche als Aufwindkamin nutzbare Wohntürme eignen sich insbesondere für kältere Klimazonen, in denen über einen Großteil des Jahres eine Heizung erforderlich ist. Darüber hinaus kann aber auch durch die Aufwindströmung zusätzliche Wärme für den Wohnbereich zur Verfügung gestellt werden. Zu diesem Zweck sind mit der warmen Aufwindströmung beaufschlagbare Wärmetauscher vorgesehen, die für eine örtlich gezielte Wärmezufuhr zu bestimmten Gebäudebereichen sorgen. Es brauchen ja hierfür lediglich entsprechende Beaufschlagungsleitungen aus dem Kaminbereich in das Wohngebäude geführt zu werden.

[0007] Zur Unterstützung der Aufwindströmung durch den Aufwindkamin kann der Aufwindka- 1 /6 österreichisches Patentamt AT510 956B1 2012-08-15 min einen Aufsatz mit einer die Mündungsöffnung des Aufwindkamins außen umschließenden Injektordüse tragen, sodass durch die Injektordüse ein zusätzlicher Sog auf die Aufwindströmung durch den Aufwindkamin ausgeübt wird. Solche Injektordüsen können im Zusammenhang mit Wärmetauschern für die warme Aufwindströmung dazu benützt werden, ohne zusätzlichen Antrieb für gute Strömungsverhältnisse im Bereich der Beaufschlagungsleitungen zu sorgen. Zu diesem Zweck brauchen ja die Beaufschlagungsleitungen der Wärmetauscher für die warme Aufwindströmung lediglich an die Injektordüse angeschlossen zu werden. Die durch eine solche die Mündungsöffnung des Aufwindkamins umschließende Injektordüse bedingte Sogwirkung kann darüber hinaus für einen Saugzug der Gebäudeabluft eingesetzt werden, indem das Wohngebäude an die Injektordüse angeschlossene Abluftleitungen aufweist. Die Frischluftzufuhr kann über entsprechende Zulufteinrichtungen, beispielsweise Belüftungsklappen, gesteuert werden.

[0008] Um auf die Wohnbedingungen Rücksicht zu nehmen, sind die in den Strömungskanälen zwischen den Stützwänden eingesetzten Windturbinen möglichst geräuscharm zu betreiben. Dies gelingt insbesondere, wenn die Windturbinen zwischen den Stützwänden angeordnete, quer zu ihrer Achse anströmbare Turbinenrotoren aufweisen, weil solche Radialturbinen im Vergleich zu Axialturbinen langsam laufen und geringere Windgeräusche erzeugen. Außerdem kann der im Wesentlichen rechteckige Querschnitt der Strömungskanäle mit Hilfe von Turbinenrotoren mit vertikaler Achse besonders gut genützt werden.

[0009] Beim Einsatz von Windturbinen mit einer quer zur Längsrichtung des Strömungskanals verlaufenden Rotorachse ergibt sich für den Turbinenrotor eine Umfangsseite, die sich in An-strömrichtung dreht, und eine gegenüberliegende Umfangsseite mit einer gegensinnigen Drehrichtung. Zur Verbesserung der Anströmbedingungen werden den radialen Windturbinen Leiteinrichtungen vorgelagert, die die Strömung im Bereich der entgegen der Anströmung bewegten Umfangsseite des Turbinenrotors zur gegenüberliegenden, sich in Anströmrichtung drehenden Umfangsseite umlenken. Umfassen diese Leiteinrichtungen Leitwände, die um eine zur Achse des Turbinenrotors parallele Schwenkachse zwischen einer den Strömungsweg freigebenden Ausgangsstellung und einer diesen Strömungsweg sperrenden Endstellung ver-schwenkbar gelagert sind, so können über diese Leiteinrichtungen die jeweiligen Windturbinen ohne Windbelastung für Reparatur und Wartungszwecke außer Betrieb genommen werden. Darüber hinaus erlauben Zwischenstellungen dieser Leitwände eine vorteilhafte Anpassung der Leiteinrichtungen an unterschiedliche Anströmverhältnisse. Steht im Bereich einer Windkraftanlage eine sonst nicht genützte Wärmequelle, beispielsweise die Abwärme einer Industrieanlage, zur Verfügung, so können vorzugsweise im Bereich des Austrittsendes der Strömungskanäle mit einem entsprechenden Wärmeträgermedium beaufschlagbare Wärmetauscher für eine zusätzliche Erwärmung der Aufwindströmung mit Hilfe dieser Wärmequellen vorgesehen werde, was sich nicht nur auf die Strömungsverhältnisse im Aufwindkamin und damit auf die Turbinenleistungen auswirkt, sondern auch auf die Erwärmung des Wohngebäudes.

[0010] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0011] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage in einem schematischen Längsschnitt und [0012] Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie ll-ll der Fig. 1 in einem größeren Maßstab.

[0013] Die Windkraf tan läge nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist einen Aufwindkamin 1 auf, der von einem Kranz von Strömungskanälen 2 umschlossen ist. Diese Strömungskanäle 2 erstrecken sich zwischen bezüglich des Aufwindkamins 1 radial ausgerichteten Stützwänden 3, die einen ringförmigen Träger 4 für den Aufwindkamin 1 aufnehmen. Innerhalb der vorzugsweise durch ein Kollektordach 5 zur Erwärmung der Windströmung durch die Strömungskanäle 2 abgedeckten Strömungskanäle 2 sind Windturbinen 6 gelagert, die als Radialturbinen mit Turbinenrotoren 7 ausgebildet sind, deren Achse quer zur Anströmrichtung, vorzugsweise vertikal, verläuft, sodass der im Wesentlichen rechteckförmige Strömungsquerschnitt der Strömungskanäle 2 vorteilhaft für die Turbinenanordnung ausgenützt werden kann. Die Ausführungsform der Turbinenrotoren kann unterschiedlich ausfallen. Der mit dem jeweiligen 2/6 österreichisches Patentamt AT510 956B1 2012-08-15

Turbinenrotor 7 antriebsverbundene Generator 8 ist in der Fig. 1 unterhalb der Windturbinen 5 angeordnet, was jedoch nicht zwingend ist.

[0014] Aus dem in der Fig. 2 eingezeichneten Strömungspfeil 9 ergibt sich, dass sich der Turbinenrotor 7 auf einer Umfangsseite mit der Strömung und auf der gegenüberliegenden Umfangsseite entgegen der Strömung dreht. Um das damit verbundene Gegendrehmoment möglichst klein zu halten, wird für eine Abschirmung der gegen die Strömung drehenden Umfangsseite gesorgt. Zu diesem Zweck sind den Turbinenrotoren 7 Leiteinrichtungen 10 vorgelagert, die eine sich über die axiale Rotorlänge erstreckende Leitwand 11 umfassen, die an ihrer von den Windturbinen 6 abgekehrten Seite um eine zur Rotorachse parallele Schwenkachse 12 an der zugehörigen Stützwand 3 gelagert ist. Aufgrund dieser schwenkbaren Lagerung der Leitwände 11 und ihrer an die lichte Weite der Strömungskanäle 2 angepassten Länge können die Leitwände 11 zwischen einer den Strömungsweg durch die Strömungskanäle 2 freigebenden Ausgangsstellung a und einer diesen Strömungsweg sperrenden Endstellung b verlagert werden. In der geschlossenen Endstellung b einer Leiteinrichtung 10 steht die zugehörige Windturbine 6 unbeeinträchtigt von sonst unvermeidbaren Windbelastungen für Reparatur- und Wartungsarbeiten zur Verfügung, ohne den Betrieb der übrigen Windturbinen 5 zu beeinträchtigen.

[0015] Durch eine in der Fig. 2 in vollen Linien dargestellten Zwischenstellung der Leiteinrichtungen 10 kann der Turbinenbetrieb an die jeweiligen Windverhältnisse angepasst werden. Um dabei günstige Strömungsverhältnisse entlang der Leitwände 11 zu gewährleisten, können die Leitwände 11 gelenkig unterteilt werden, sodass der freie Leitwandabschnitt 13 gegenüber dem an der Stützwand 3 angelenkten Abschnitt der Leitwand 11 verschwenkt werden kann. Mit einer Schwenkverstellung des freien Leitwandabschnitts 13 kann somit die Kanalströmung durch den in den Strömungskanal 2 eingeschwenkten Leitwandabschnitt 16 unter einer Abschattung der gegen die Strömung drehenden Umfangsseite des Turbinenrotors 7 zusätzlich gegen die andere Kanalseite hin umgelenkt werden, um die mit der Strömung drehende Umfangsseite des Turbinenrotors 7 mit einer größeren Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagen zu können.

[0016] Zur verlustarmen Umlenkung der im Eintrittsbereich der Strömungskanäle 2 radialen, horizontalen Aufwindströmung in eine axiale, vertikale Aufwindströmung durch den Aufwindkamin 1 formt der Boden des Aufwindkamins einen zentralen Verteilerkonus 14. Zusätzlich können im Austrittsbereich der Strömungskanäle 2 die Umlenkung dieser Aufwindströmung unterstützende Leitwände 15 vorgesehen werden, die sich zwischen den Stützwänden 3 erstrecken und um horizontale Achsen 16 schwenkverstellbar zwischen den Stützwänden gelagert sind. Aufgrund dieser Anordnung können die Leitwände 15 aus der in Fig. 1 in vollen Linien gezeichneten Gebrauchsstellung in eine den Strömungsweg durch den zugehörigen Strömungskanal 2 sperrende Schließstellung verschwenkt werden, wie dies strichpunktiert angedeutet ist.

[0017] Entsprechend der Fig. 1 ist der Mantel des Aufwindkamins 1 als Wohngebäude 17 ausgeführt, dessen Innenwand 18 den Strömungskanal 2 des Aufwindkamins 1 umfangsseitig begrenzt. Da somit die erwärmte Aufwindströmung entlang der Innenwand 18 des Wohngebäudes 17 durch den Aufwindkamin 1 strömt, kann die fühlbare Abwärme der Aufwindströmung über die Innenwand 18 auf das Wohngebäude übertragen werden. Die Innenwand 18 des Wohngebäudes 17 sollte daher keine Wärmedämmung umfassen. Zusätzlich kann die erwärmte Aufwindströmung zur Beaufschlagung von Wärmetauschern 19 innerhalb des Wohngebäudes 17 genützt werden. Zu diesem Zweck braucht ja lediglich entsprechend warme Luft aus dem Aufwindkamin 1 über entsprechende Beaufschlagungsleitungen 20 für die Wärmetauscher 19 abgezogen zu werden. Die Förderung dieser aus dem Aufwindkamin 1 abgezogenen Aufwindströmung durch die Beaufschlagungsleitungen 20 kann besonders einfach gestaltet werden, wenn der Aufwindkamin 1 eine seine Mündungsöffnung außen umschließende Injektordüse 21 trägt, die bei einer Windbeaufschlagung die Aufwindströmung durch den Aufwindkamin 1 durch eine entsprechende Sogwirkung unterstützt. Der im Bereich einer solchen Injektordüse 21 aufgebaute Unterdrück kann für die Förderung der aus dem Aufwindkamin 1 abgezweigten Aufwind Strömung durch die Beaufschlagungsleitungen 20 genützt werden, wenn diese Beaufschlagungsleitungen 20 wie in der Fig. 1 angedeutet, an die Injektordüse 21 angeschlossen werden. Dies bedeutet selbstverständlich nicht, dass auch Gebläse für die Beaufschlagungslei- 3/6

Claims (6)

1. österreichisches Patentamt AT510 956 B1 2012-08-15 tungen 20 vorgesehen werden können. [0018] Ist das Wohngebäude 17 mit einem Abluftsystem ausgestattet, durch das Abluft aus Gebäuderäumen abgleitet werden kann, so können die hiefür vorgesehenen Abluftleitungen 22 ebenfalls an die Injektordüse 21 angeschlossen werden, um für die Abluft einen Saugzug sicherzustellen. [0019] Aus der Fig. 1 wird zusätzlich ersichtlich, dass zur Unterstützung der Aufwindströmung durch den Aufwindkamin 1 sonst ungenützte, im Umgebungsbereich der Windkraftanlage vorhandene Wärmequellen eingesetzt werden können, indem vorzugsweise im Austrittsbereich der Strömungskanäle 2 entsprechende Wärmetauscher 23 angeordnet werden, die über einen Vor-und Rücklauf 24 mit einem geeigneten Wärmeträgermedium von einer Wärmequelle außerhalb der Windkraftanlage beaufschlagt werden. Die Beaufschlagungsleitungen 20 für die Wärmetauscher 19 im Wohngebäude 17 ziehen beim Vorsehen der Wärmetauscher 23 die Aufwindströmung vorzugsweise im Anschluss an den Wärmetauscher 23 aus dem Aufwindkamin ab, um eine entsprechend hohe Temperatur der Aufwindströmung nützen zu können. Patentansprüche 1. Windkraftanlage mit einem einen Aufwindkamin (1) ringförmig umschließenden Kranz von Strömungskanälen (2) und mit in den Strömungskanälen (2) angeordneten Windturbinen (6) , dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (2) zwischen radial zum Aufwindkamin (1) verlaufenden, einen ringförmigen Träger (4) für den Aufwindkamin (1) aufnehmenden Stützwänden (3) verlaufen und dass der Mantel des Aufwindkamins (1) zumindest bereichsweise als Wohngebäude (17) ausgebildet, das mit warmer Aufwindströmung beaufschlagbare Wärmetauscher (19) umfasst.
2. 2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufwindkamin (1) einen Aufsatz mit einer die Mündungsöffnung des Aufwindkamins (1) außen umschließenden Injektordüse (21) trägt und dass die Beaufschlagungsleitungen (20) der Wärmetauscher (19) für die warme Aufwindströmung an die Injektordüse (21) angeschlossen sind.
3. 3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wohngebäude (17) an die Injektordüse (21) angeschlossene Abluftleitungen (22) aufweist.
4. 4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise im Bereich des Austrittsendes der Strömungskanäle (2) mit einem Wärmeträgermedium beaufschlagbare Wärmetauscher (23) für die Erwärmung der Aufwindströmung vorgesehen sind.
5. 5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbinen (6) zwischen den Stützwänden (3) angeordnete, quer zu ihrer Achse an-strömbare Turbinenrotoren (7) aufweisen.
6. 6. Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenrotoren (7) im Bereich ihrer entgegen der Anströmrichtung drehenden Umfangsseite eine Abschirmung durch Leiteinrichtungen (10) aufweisen, die um eine zur Achse des Turbinenrotors (7) parallele Schwenkachse (12) zwischen einer den Strömungsweg freigebenden Ausgangsstellung (a) und einer diesen Strömungsweg sperrenden Endstellung (b) schwenkverstellbar gelagerte Leitwände (11) umfassen. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6