DE10157821A1

DE10157821A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE10157821A1
Application number: DE10157821A
Authority: DE
Inventors: Fritz Reinke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-24
Filing date: 2001-11-24
Publication date: 2003-06-12
Also published as: EP1472457A1; WO2003046377A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Windenergie, bestehend aus einem einen insbesondere horizontalen Strömungskanal aufweisenden und um eine vertikale Achse drehbaren Gehäuse mit einem dem Strömungskanal vorgeordneten Einströmkanal und einem im Endbereich desselben befindlichen, mehrere Flügel aufweisenden und durch zugeführten Wind drehbaren Rotor, einem dem Rotor zugeordneten Generator und einem außen am Gehäuse angebrachten Richtungsstabilisator. DOLLAR A Um die Ausnutzung des Windes bei reduzierten Kosten erheblich zu erhöhen und auch die Vorrichtung bei geringen Windstärken wirtschaftlich und ohne nennenswerten, die Strömung beeinträchtigende Turbulenzen zu betreiben, weist der Einströmkanal einen trompetenähnlichen Querschnitt auf, der sich anfangs sehr stark und später allmählich nach einer Parabel mit dem Parameter "P" gleich oder größer als der Durchmesser des Strömungskanals 5 beträgt oder nach einer Ellipse mit "a" ist das 1,1fache bis 2,5fache von "b" auf den Strömungskanal verringert und bei dem der Eingangsquerschnitt mindestens das 15fache des Ausgangsquerschnittes beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Windenergie, bestehend aus einem einen insbesondere horizontalen Strömungskanal aufweisenden und um eine vertikale Achse drehbaren Gehäuse mit einem dem Strömungskanal vorgeordneten Einströmkanal und einem im Endbereich desselben befindlichen, mehrere Flügel aufweisenden und durch zugeführten Wind drehbaren Rotor, einem dem Rotor zugeordneten Generator und einem außen am Gehäuse angebrachten Richtungsstabilisator.
Bei den bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Windenergie handelt es sich um eine Nachahmung des bereits seit Jahrhunderten bekannten Prinzips der Windmühlen. Hier trifft der Wind direkt mit seiner Geschwindigkeit auf eine gedachte, kreisförmige Fläche auf, die durch die Länge der rotierenden Flügel begrenzt wird. Dabei entspricht die Form der Flügel den Propellern von Flugzeugen bzw. den Rotoren von Hubschraubern. Bei derartigen Propellern bzw. Rotoren stellt sich jedoch die Antriebswirkung erst bei einer so hohen Drehzahl ein, bei der die Propeller bzw. Rotoren wie runde Scheiben aussehen. Diese hohe Drehzahl und der damit verbundene Antriebseffekt läßt sich jedoch in umgekehrter Richtung, wie es bei Windkraftwerken erforderlich ist, nicht erreichen. Dazu ist die Drehgeschwindigkeit der Flügel bzw. des Rotors viel zu gering. Bei einer Flügellänge von beispielsweise 15 Metern und mehr ist die Drehzahl des die Flügel tragenden Rotors so gering, daß der größte Teil des Windes zwischen den Flügeln hindurchbläst.

Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 296 01 647 ist eine Windkraftanlage bekannt, bei der in einem Strömungskanal ein Generator mit einem vorgeordneten und einem nachgeordneten, jeweils aus mehreren Flügeln bestehenden Rotor angeordnet ist. Die Rotorflügel können dabei um ihre Längsachse verdrehbar sein. Dem Windleitkanal ist eine als Trichter ausgebildete Windleitvorrichtung vorgeordnet, durch die die den Rotoren zuzuführende Windmenge vergrößert wird. Dabei sammelt die trichterförmige Windleitvorrichtung die verhandenen Luftströmungen konzentriert auf die Rotoren und die Windgeschwindigkeit erhöht sich. Dennoch reicht die Windmenge und die Strömungsgeschwindigkeit nicht aus, um eine nennenswerte Drehzahl der Rotoren und damit des Generators zu erreichen. Dazu trägt auch bei, daß sich durch den kegelstumpfförmigen Querschnitt der Windleitvorrichtung auf kurzem Weg große Querschnittsverringerungen ergeben und sich im Übergangsbereich von der Windleitvorrichtung zum Windleitkanal erhebliche Turbulenzen bilden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Windenergie aufzuzeigen, bei der die Ausnutzung des Windes erheblich erhöht wird, ohne daß dabei die Kosten nennenswert ansteigen. Das Kosten/Leistungsverhältnis soll um das Mehrfache verbessert werden. Dabei soll auch erreicht werden, daß die Vorrichtung bei geringen Windstärken wirtschaftlich betreibbar ist und keine nennenswerten, die Strömung beeinträchtigende Turbulenzen auftreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung vorgeschlagen, daß der Einströmkanal einen trompetenähnlichen Querschnitt aufweist, der sich anfangs sehr stark und später allmählich nach einer Parabel mit dem Parameter "p" gleich oder größer als der Durchmesser des Strömungskanales 5 auf den Strömungskanal 5 verringert und bei dem der Eingangsquerschnitt mindestens das 15fache des Ausgangsquerschnittes beträgt oder daß der Einströmkanal in Strömungsrichtung einen trompetenähnlichen Querschnitt aufweist, dessen Begrenzungslinie sich anfangs sehr stark und später allmählich nach einer Ellipse mit "a" ist das 1,1fache bis 2,5fache von "b" auf den Strömungskanal verringert und bei dem der Eingangsquerschnitt mindestens das 15fache des Ausgangsquerschnittes beträgt.

Durch den trompetenähnlichen Querschnitt des Einströmkanales wird die dem Rotor zugeführte Windmenge erheblich vergrößert. Der sich anfangs sehr stark und später allmählich auf dem Strömungskanal verringernde Querschnitt trägt in erheblichem Maße dazu bei, daß keine nennenswerten Turbulenzen auftreten, so daß die Energie der auf den Rotor strömenden Windmenge auch bei geringen Windgeschwindigkeiten bereits eine wirtschaftlich nutzbare Drehung des Rotors bewirkt.

Weitere Merkmale einer Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 21 offenbart.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in einer Zeichnung in stark vereinfachter Weise dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine Aufrißdarstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und
Fig. 2 mehrere batterieartig zusammengefaßte Gehäuse der Vorrichtung nach Fig. 1.
In der Fig. 1 der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Windenergie dargestellt, die hier zunächst aus einem fest auf dem Boden verankerten Mast 1 besteht. Dieser Mast 1 ist beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff als Rohr ausgebildet, wobei der Querschnitt des Mastes 1 so groß gewählt sein kann, daß in denselben eine an sich bekannte, jedoch in der Zeichnung nicht dargestellte Wendeltreppe eingebaut werden kann, über die eine an dem oberen Ende des Mastes 1 befindliche Kammer 2 erreichbar ist. Der Mast 1 kann eine innere Verstärkung aus leichten, senkrechten Stahlprofilen aufweisen, die mit angeschweißten Stahlringen zu einem Käfig verbunden werden, der beispielsweise punktweise an einen die Außenwandung des Mastes 1 bildenden Mantel aus faserverstärktem Kunststoff anlaminiert ist. Die erwähnte Wendeltreppe ist dabei vorzugsweise um eine Säule aus Stahlrohr geführt. Über der Kammer 2 befindet sich ein nur angedeuteter Kugeldrehkranz 3, der zur Abstützung eines Gehäuses 4 dient und der es ermöglicht, daß das Gehäuse 4 um eine vertikale Achse gedreht werden kann. Das aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff bestehende Gehäuse 4 besitzt einen Strömungskanal 5, der einen zylindrischen bzw. weitgehend zylindrischen Querschnitt aufweist. Diesem Strömungskanal 5 ist ein Einströmkanal 6 mit einem in Strömungsrichtung trompetenähnlich verlaufenden Querschnitt vorgeordnet. Der eigentliche Querschnitt des Einströmkanales 6, also quer zur Strömungsrichtung, ist in vorteilhafter Weise kreisförmig; er kann jedoch auch unrund oder mehreckig sein. Die Wandung bzw. die Begrenzungslinie des Einströmkanales 6 verläuft nach einer Parabel mit dem Parameter "p" gleich oder größer als der Durchmesser des Strömungskanales 5 bzw. des Querschnittes des Ausganges 8 des Einströmkanales 6. Dieser Parameter "p" kann maximal das 30fache des Durchmessers des Strömungskanales 5 bzw. des Querschnittes des Ausganges 8 des Einströmkanales 6 betragen. Die Wandung bzw. die Begrenzungslinie des Einströmkanales 6 kann jedoch insbesondere bei kleinerem Querschnitt und kleinerer Länge des Einströmkanales 6 nach einem Ellipsenabschnitt verlaufen, wobei hier der Parameter "a" das 1,1fache bis 2,5fache des Parameters "b" beträgt. Dabei verjüngt sich in beiden Fällen der Querschnitt des Einströmkanales 6 anfangs sehr stark und später allmählich, jedoch kontinuierlich abnehmend auf den Strömungskanal 5. Durch die im Querschnitt trompetenähnliche Ausgestaltung des Einströmkanales 6 weist derselbe an seinem Eingang 7 einen Querschnitt auf, der mindestens das 15fache, vorteilhaft das 30- bis 100fache des Querschnittes des Ausganges 8 beträgt. Dieser Einströmkanal 6 weist beispielsweise an seinen Eingang 7 einen Durchmesser von 5 bis 30 m auf, während der Durchmesser am Ausgang 8 etwa 0,8 bis 2,5 m beträgt. Die Länge des Einströmkanales 6 sollte normalerweise bei etwa 5 bis 30 m liegen. Durch die anfangs sehr starke Verjüngung hat sich der parabel- oder ellipsenförmig in Längsrichtung verlaufende Querschnitt nach einem Fünftel der Länge des Einströmkanales 6 bereits um knapp 50% und nach der Hälfte der Länge des Einströmkanales 6 bereits um etwa 80% reduziert. Diese trompetenähnliche, in Längsrichtung verlaufende Ausgestaltung des Querschnittes des Einströmkanales 6 stellt sicher, daß auch bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten eine große Windmenge mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit in den Strömungskanal 5 gelangt. Die Windgeschwindigkeiten liegen normalerweise bei etwa 70 bis 75% der Fälle in einer Größenordnung von 2-5 m/s und bei etwa 15 bis 17% in einer Größe von 5 bis 10 m/s. In Abhängigkeit von dem Verhältnis der eigentlichen Querschnitte des Einganges 7 zum Ausgang 8 des Einströmkanales 6, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Windes im Strömungskanal 5 - unter Berücksichtigung von Strömungsverlusten - bis etwa 300 m/s betragen.
Wie in der Zeichnung nur angedeutet, kann sich im Bereich des Einganges 7 des Einströmkanales 6 ein sogenannter Strömungsring 9 befinden. Dieser Strömungsring 9 ist in an sich bekannter, nicht dargestellter Weise über strömungsgünstigen Querschnitt aufweisende Stege im Einströmkanal 6 gesichert. Ein solcher Strömungsring 9 wird immer dann vorgesehen, wenn der Querschnitt am Eingang 7 des Einströmkanales 6 eine gewisse Größe überschreitet. Bedarfsweise können im Einströmkanal 6 - auch weitere Einströmringe 9 und/oder ein Einströmpilz vorgesehen sein. Sowohl die Strömungsringe 9 als auch ein Einströmpilz weisen vorteilhaft einen trompetenähnlichen Querschnitt auf.
An seiner dem Einströmkanal 6 abgewandten Seite erweitert sich auch der Strömungskanal 4 ebenfalls trompetenähnlich. In diesem trompetenähnlich erweiterten Bereich 10 ist ein Rotor 11 vorgesehen, der aus einem Grundkörper 12 und darauf befestigten Blättern bzw. Flügeln 13 besteht. Der Grundkörper 12 besitzt ebenfalls trompetenähnlichen Querschnitt und die Flügel 13, die auch als Strömungsflügel zu bezeichnen sind, grenzen an die Wandung des trompetenähnlichen Bereiches 10, allerdings mit geringem Abstand, an. Damit weist der Rotor 11, der aus dem Grundkörper 12 und den Flügeln 13 besteht, ebenfalls einen trompetenähnlichen Querschnitt auf. Die Flügel 13 des Rotors 11 weisen eine wendelartige, sich um einen vorgegebenen Winkel über den Grundkörper 12 erstreckende Form auf, so daß der Rotor 11 durch den einströmenden Wind in Drehbewegung gesetzt werden kann.
Der Rotor 11 wird von einer Welle 14 getragen, die im Gehäuse 4 ortsfest gelagert ist und an die, beispielsweise über eine Kupplung 15, ein Generator 16 angeschlossen ist. Bei einer Drehung des Rotors 11 wird über den Generator 16 Strom erzeugt.
Der sich trompetenähnlich erweiternde Bereich 10 des Strömungskanales 5 geht dann in einen sich weiter erweiternden Ausströmkanal 17 über, dessen Ausströmöffnung 18 im dargestellten Ausführungsbeispiel nach oben gerichtet ist. Bedarfsweise kann im Ausströmkanal 17 auch ein nach oben gerichtetes Leitblech vorgesehen sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel schließt sich zumindest an der Unterseite des Gehäuses 4 ein blattartiger Richtungsstabilisator 19 an, der beispielsweise als Werbefläche nutzbar ist. Dieser Richtungsstabilisator 19 kann sich, wie angedeutet, auch nur oder zusätzlich über die Oberseite des Gehäuses erstrecken.
In der Fig. 2 der Zeichnung sind mehrere Gehäuse 4 mit Einströmkanälen 6 neben- und übereinander angeordnet. Eine solche Vorrichtung befindet sich dann allerdings nicht mehr auf einem Mast 1, sondern in bevorzugter Weise auf einem Hügel oder auch auf dem Dach eines Gebäudes. Bei der Anordnung auf einem Hügel sollte derselben mindestens 10 m, vorteilhaft jedoch 20-30 m höher als das übrige Niveau sein und eine strömungsgünstige Oberfläche besitzen. Mit einer solchen Vorrichtung, die ebenfalls um eine vertikale Achse drehbar angeordnet sein muß, läßt sich eine äußerst große Menge an elektrischer Energie gewinnen.
In Abänderung des erläuterten Ausführungsbeispieles ist es möglich, den aus Grundkörper 12 und Flügeln 13 bestehenden Rotor 11 senkrecht zum Strömungskanal 5 anzuordnen. Dies setzt jedoch eine veränderte, vorteilhaft rechteckige Form des Strömungskanales 5 voraus. Auch der Rotor 11 müßte mit seinen Flügeln 13 und dem Grundkörper 12 anders ausgebildet sein.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Windenergie, bestehend aus einem einen insbesondere horizontalen Strömungskanal aufweisenden und um eine vertikale Achse drehbaren Gehäuse mit einem dem Strömungskanal vorgeordneten Einströmkanal und einem im Endbereich desselben befindlichen, mehrere Flügel aufweisenden und durch zugeführten Wind drehbaren Rotor, einem dem Rotor zugeordneten Generator und einem außen am Gehäuse angebrachten Richtungsstabilisator, dadurch gekennzeichnet, daß der Einströmkanal (6) in Strömungsrichtung einen trompetenähnlichen Querschnitt aufweist, dessen Begrenzungslinie sich anfangs sehr stark und später allmählich nach einer Parabel mit dem Parameter "p" gleich oder größer als der Durchmesser des Strömungskanales (5) auf den Strömungskanal (5) verringert und bei dem der Eingangsquerschnitt mindestens das 15fache des Ausgangsquerschnittes beträgt.

2. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Windenergie, bestehend aus einem einen insbesondere horizontalen Strömungskanal aufweisenden und um eine vertikale Achse drehbaren Gehäuse mit einem dem Strömungskanal vorgeordneten Einströmkanal und einem im Endbereich desselben befindlichen, mehrere Flügel aufweisenden und durch zugeführten Wind drehbaren Rotor, einem dem Rotor zugeordneten Generator und einem außen am Gehäuse angebrachten Richtungsstabilisator, dadurch gekennzeichnet, daß der Einströmkanal (6) in Strömungsrichtung einen trompetenähnlichen Querschnitt aufweist, dessen Begrenzungslinie sich anfangs sehr stark und später allmählich nach einer Ellipse mit "a" ist das 1,1fache bis 2,5fache von "b" auf den Strömungskanal (5) verringert und bei dem der Eingangsquerschnitt mindestens das 15fache des Ausgangsquerschnittes beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter "p" der Parabel maximal das 30fache des Durchmessers des Strömungskanales (5) beträgt.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, der Eingangsquerschnitt des Einströmkanales (6) das 30- bis 100-fache des Ausgangsquerschnittes beträgt.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich im vorderen Bereich des Einströmkanales (6) ein Strömungspilz befindet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungspilz trompetenähnlichen Querschnitt aufweist.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß sich im vorderen Bereich des Einströmkanales (6) mindestens ein Einströmring (9) befindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einströmring (9) trompetenähnlichen Querschnitt auf weist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strömungskanal (5) im Bereich des Rotors (11) trompetenähnlich erweitert und der Rotor (11) aus einem trompetenähnlichen Querschnitt aufweisenden Grundkörper (12) mit an den trompetenähnlichen Bereich des Strömungskanales angrenzenden Flügeln (13) besteht.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich hinter dem Rotor (11) an den Strömungskanal (5) ein sich im Querschnitt vergrößernder Ausströmkanal (17) anschließt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausströmkanal (17) nach oben gerichtet ist und/oder ein nach oben gerichtetes Leitblech aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech aus schallreflektierendem Werkstoff gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Ausströmkanales (17) aus schalldämmendem Werkstoff gebildet und/oder mit schalldämmendem Werkstoff beschichtet ist.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (11) mit den Flügeln (13) und der Generator (16) auf einer horizontal oder vertikal gelagerten Welle (14) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungsstabilisator (19) blattartig und als Werfläche nutzbar ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) auf einem aus faserverstärkten Kunststoff gebildeten, rohrartigen Mast (1) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mast (1) eine Versteifung angeordnet und/oder eine Wendeltreppe eingebaut ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung aus senkrechten Stahlprofilen und Stahlringen besteht die mit einem die Außenwandung des Mastes (1) bildenden Mantel aus faserverstärktem Kunststoff durch Laminierung verbunden sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendeltreppe um eine Rohrsäule angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Gehäuse (4) mit trompetenähnlichen Querschnitt aufweisenden Einströmkanälen (6) batterieartig über- und/oder nebeneinander angeordnet sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen benachbarten Einströmkanälen (6) befindlichen Freiräume durch strömungsoptimierte Vorsprünge geschlossen sind.