DE102005029478A1

DE102005029478A1 - Duplex-Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102005029478A1
Application number: DE102005029478A
Authority: DE
Inventors: Alexander Faller Sen.
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2006-12-28
Also published as: DE112006002229A5; WO2006136138A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Duplex-Windkraftanlage, die entwickelt wurde, um Windkraftanlagen in ihrer Effizienz zu optimieren. Zwar sind Reaktionsturbinen, wie sie bisher Anwendung finden, in anderem Zusammenhang für sich bekannt, aber eine Verbindung zwischen einer hier vorgeschlagenen Propellerturbine und einer vertikal angeordneten Schaufelradturbine oder eine mit Windsegeln ausgestattete Reaktionsturbine zum Zwecke der Stromerzeugung oder Antrieb anderer Arbeitsmechanismen ist in der Zuordnung der beiden Turbinen zueinander neu. Essentiell hierbei ist, dass die Schaufelradturbine zwischen dem Mast, an dem beide Turbinen gelagert sind und um den die Schaufelturbine dreht, die innere Flanke der Schaufeln einen in seiner Breite veränderbaren Spalt bilden, über den abströmende Luft auf die Rotorblätter der Propellerturbine treffen und diesen einen zusätzlichen Impuls verleihen. Hierzu ist es notwendig, dass die Schaufelradturbine sich voll in den Rotationskreis der Rotoren der Propellerturbine hinein erstreckt, jedoch mit einem solchen horizontalen Abstand, dass beide Turbinen sich nicht gegenzeitig berühren. Die Schaufelradturbine muss in Strömungsrichtung des Windes stets stromauf von den Rotoren der Propellerturbine angeordnet sein und letztere muss den Wind aus Richtung der Schaufelradturbine, d. h. von rückwärts annehmen.

Description

Es ist bekannt, als eine alternative Energiequelle, Windräder, die mit elektrischen Generatoren zusammenwirken, zur Erzeugung von Strom auf Masten zu montieren. Der Rotor eines Windrads ist aufgebaut aus mindestens einem Propellerblatt, das an einer Nabe befestigt ist und das um eine horizontal gelagerte Achse dreht. Ein so geschaffenes Windrad wirkt meist mit einem axial angeordneten, vornehmlich auf derselben Achse montierten Stromgenerator zusammen, der direkt, oder über ein Getriebe vom Rotor des Windrades angetrieben wird. Meist wird der erzeugte Strom in ein öffentliches Stromversorgungsnetz geliefert. Windräder werden darüber hinaus auch zum Antrieb von Pumpen zur Wasserversorgung oder Entwässerung oder in anderen Anwendungsbereichen eingesetzt. Die Propellerblätter dieser Windräder sind vielfach so gestaltet, dass sie den Wind frontal annehmen. Der Generator befindet sich auf der windabgewandten Seite des Windrads, damit im Windschatten des Rotors.

Es sind auch Windräder bekannt, die aus mehreren, jedoch mindestens einem vertikal angeordneten Schaufelrad, in Form von Windfangrinnen oder senkrecht stehenden Flügelprofilblättern, bestehen und die den Wind einseitig annehmen. Solche Windräder bilden eine Reaktionsturbine. Die Windfangrinnen können auch von mehreren Stoffsegeln gebildet sein, die an gegeneinander, z. B. mittels Seilen verspannten Führungsarmen, befestigt sind und die radial von einem zentralen Schaft ausgehen. Die Segel sind in den Führungsarmen bewegbar gehalten, sodass man die dem Wind ausgesetzte Fläche willkürlich von Hand oder automatisch, an die Windstärke anpassen kann. Flügelprofilblätter sind um eine vertikale Achse zu diesem Zwecke an einer Boden- und Kopfplatte gehalten. Es ist auch bekannt zur Steigerung der Effizienz der um eine vertikale Achse drehende Turbine eine um die gleiche Achse drehende Abdeckung vorzusehen, die automatisch die Teile der Turbinenblätter abdeckt, die vom Wind gegen die Drehrichtung der Turbine beaufschlagt und dadurch gebremst würden (Deutsche Offenlegungsschrift DE 101 20 181 A1 , Pos. 21). Auch bei dieser kombinierten Windkraftanlage befindet sich der Schaufelradturbinenteil in teilweiser Überlappung mit dem einer Propellerturbine. Die Zuordnung beider Turbinen zueinander ist jedoch nicht so gewählt, dass die aus der Schaufelradturbine abströmende Luft so gelenkt ist, dass sie einen zusätzlichen Impuls auf die Propellerturbine ausübt. Dies ist u. a. auch deshalb nicht möglich, weil die Schaufelradturbinen seitlich am Mast auf einer eigenen Plattform angeordnet sind und nur den nahe der Nabe befindlichen Abschnitt der Propellerblätter überdecken. Außerdem erfolgt bei dieser kombinierten Anlage die Luftanströmung von vorne auf die Propellerturbine und folgerichtig auch auf die Schaufelradturbine. Aus letzterer abströmende Luft strömt daher von der Propellerturbine weg und kann folglich auf diese keinen zusätzlichen Impuls ausüben.

Beide Systeme von Windrädern nützen die verfügbare Windenergie nur unvollständig. Sie führen damit zum Bau von Windkraftanlagen, die unnötigerweise voluminös sind und mehr Einzelaggregate aufweisen, als dies von der erzeugten Energie her notwendig wäre. Umwelt und Optik werden dadurch negativ beeinflusst.

Um die Effizienz von Windrädern zu erhöhen, um damit optische und akustische Nachteile zu verringen, ist es auch bekannt in Kombination ein, um eine horizontale Achse drehendes Windrad mit einem, am gleichen Hauptmast befestigten, um eine vertikale Achse drehendes Windrad, zu koppeln. Die bekannte Windradkombination ist jedoch so ausgebildet, dass das um die vertikale Achse drehende Windrad weitgehend außerhalb des Rotationskreises der Propellerblätter des, um eine horizontale Achse drehenden Windrades angeordnet ist. Aus diesem Grunde kann die abströmende Luft, des, um eine vertikal Achse drehenden Windra des, keine zusätzliche Antriebsenergie für das, um eine horizontale Achse drehende Windrad liefern. Der Wirkungsgrad beider Windräder zusammen ist daher nicht optimal.

Ebenfalls bekannt sind Windradkombinationen, bei denen einem, um eine horizontale Achse drehenden Windrades, zusätzlich jeweils um vertikale Achse drehende Windräder zugeordnet sind, die auf einer, sich am Hauptmast abstützende Plattform angeordnet sind. Diese vertikal drehenden Windräder sind zwar innerhalb des Rotationskreises des horizontal drehenden Windrades angeordnet. Trotzdem unterstützt die vom vertikale drehenden Windrad abströmende Luft, wegen mangelnder Zuordnung der beiden Windräder zueinander und die Windanströmrichtung, nicht das, um eine horizontale Achse drehende Windrad und gibt diesem keinen zusätzlichen Impuls. Die um die vertikale Achse drehenden Windräder sind mit Strömungsleiteinrichtungen ausgestattet, die einerseits anströmende Luft auf die Schaufeln lenken, die gegen den Wind offen sind und Luftzustrom zu den Schaufeln unterbinden, die gegen den Wind geschlossen sind. Anderenfalls würden gegen die gewünschte Drehrichtung des Windrades wirkende Kräfte initiieren werden.

Ebenfalls bekannt ist eine, innerhalb des Masts angeordnete Mastwindturbine ( DE 195 18 838 A1 ). Die Luft tritt über Schlitze in der Mastwandung in den Mast ein und versetzt ein, um eine vertikale Achse drehendes Rotorrad in Rotation. Die Nutzung eines Synergieeffekts von zwei Windturbinen durch entsprechende Zuordnung zueinander, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Windkraftanlage zu schaffen, den Wirkungsgrad zweier, am gleichen Mast montierten Windrädern durch entsprechende Zuordnung zueinander zu steigern und anströmende Winde durch eine mögliche Synergie der Kräfte optimal zu nutzen.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Windkraftanlage, die aus zwei, an einem einzigen, senkrechten Mast gelagerten, Windrädern besteht, die als Reaktionsturbinen arbeiten, wobei das eine Windrad von einem, auf einer horizontal gelagerten Welle befestigten Propellerrad mit mindestens einem, schwenkbar auf einer Nabe drehbar angeordneten Rotorblatt gebildet ist und das zweite Windrad von einer, sich um den vertikal erstreckenden Mast, klonzentrisch zu diesem angeordneten, drehenden Schaufelradturbine, mit mindestens einer Schaufel, gebildet ist, deren vertikal sich erstreckende Schaufel schwenkbar auf einer oberen und unteren Befestigungsplatte, Kopf- und Bodenplatte, gelagert ist. Die Lager der Schaufeln können auch radial von Hand oder automatisch über Stellmotoren verschiebbar auf den Befestigungsplatten gehalten sein und um ihre Achsen geschwenkt und/oder gedreht werden. Die Schaufeln können zur Verbesserung des Wirkungsgrades auf einem Segment des Rotationskreises von einer Schürze abdeckbar sein, die jeweils das Segment abdeckt, das, wenn vom Wind angeströmt, das Windrad gegen die gewünschte Drehrichtung bewegen würde, d. h. einen Widerstand gegen die Drehrichtung bildet. Die gleiche Wirkung wird erzielt, wenn die Schaufeln, die mit ihrem Rücken dem Wind zugerichtet sind so geschwenkt und bewegt werden, dass sie sich am Mast anlegen. Die um den Mast, als Zentrum drehenden Schaufeln beschreiben einen äußeren Rotationskreis, der in einem solchen horizontalen, dem Mast zugerichteten Abstand zum äußeren Rotationskreis der Propellerturbine liegt, dass eine gegenseitige Berührung ausgeschlossen ist, obwohl sich die Schaufelradturbine in voller Höhe vertikal in die von den Rotoren der Propellerturbine bestrichene Rotationsfläche hinein erstreckt. Mit ihrer Innenflanke bilden die Schaufeln mit der Außenwandung des Masts einen in seiner Breite veränderbaren Spalt, sodass die aus dem Spalt abströmende Luft auf die Rotorblätter, der um eine horizontale Achse drehende Windturbine auftrifft und dieser einen zusätzlichen Impuls verleit. Mit diesem zusätzlichen Impuls wird der Wirkungsgrad der Gesamtanlage essentiell verbessert.

Das Profil der Rotorblätter des Propellers, des um eine horizontale Achse drehenden Windrades, respektive Windturbine, ist so gestaltet, dass die Windannahme von rückwärts, d.h. über den elektrischen Generator hinweg, erfolgt. Damit ist auch die gewünschte, funktionelle Möglichkeit gegeben, dass abströmende Luft von der Schaufelradturbine über den Spalt zwischen Mast und der dem Mast zugerichteten inneren Flanke der Schaufeln, auf die Rotorblätter, der um eine horizontale Achse drehende Propellerturbine auftrifft und diesen einen zusätzlichen Impuls verleiht. Die Lagerung der Rotor-Generatoreinheit ist auf der Mastspitze so gewählt, dass der Drehpunkt, der um 360° schwenkbaren Rotor-Generatoreinheit, außermittig am Generatorgehäuse liegt (x > y). Dies hat zur Folge, dass sich der Rotor immer mit dem Generator gegen die Windrichtung einstellt, sodass der Wind von rückwärts auf die Propellerblätter auftrifft.

Ähnlich ist die Steuerung einer Abdeckschürze und Strömungsleiteinrichtung für die Schaufeln der Schaufelradturbine gestaltet. Diese richten sich ebenfalls nach der Windrichtung aus und deckt jeweils die mit dem Rücken zum Wind weisenden Schaufeln ab, bzw. lenken den Wind auf die dem Wind zugerichteten offenen Schaufeln hin. Ist eine Ausführungsform gewählt bei der sich die Schaufeln, die mir ihrem Rücken gegen den anströmenden Wind gerichtet sind, an den Mast oder eine diesen umgebenden zylindrischen Körper anlegen, so kann dies dadurch geschehen, dass die gegen den Wind offene Schaufel durch den Winddruck offengehalten ist und die Federkraft die Schaufel an den Mast oder den zylindrischen Körper andrückt, sobald die öffnende Windkraft kleiner als die Schließkraft der Feder ist.

Es ist selbstverständlich, dass dieses Einstellen gegen die Windrichtung ein Dämpfungsglied im Verstellmechanismus notwendig macht, um zu verhindern, dass der Rotor und/oder die Windleiteinrichtung bei der Schaufelradturbine bei böigem Wind hin und her pendeln. Die auf der Nabe drehbar angeordneten Rotorblätter können bei einer Windstärke, die das Windrad in seiner Stand- und/oder Funktionsfähigkeit gefährdet, über ein automatisch wirkendes Stell- und Regelgerät so in den Wind gedreht werden, dass eine Gefährdung vermieden und die Gefahr einer Zerstörung zumindest reduziert ist.

Die vertikale Reaktionsturbine (Schaufelradturbine) besteht aus einem konzentrisch um den Mast der Windkraftanlage angeordneten, vertikal drehbar gelagerten Rotationszylinder, der mit mehreren, jedoch mindestens einer, längs zum Rotationszylinder verlaufenden Schaufeln, ähnlich von Dachrinnen und/oder Segeln, ausgestattet ist, die an radial vom Rotationszylinder vorspringenden Befestigungselementen, sowohl oben als auch unten, dreh- und schwenkbar auf je einer, radial vorspringenden Kopf- und Bodenplatte gelagert sind. Die Schaufeln öffnen sich gegen die Windrichtung hin und sind abwindig geschlossen. Ihre Innenflanken bilden mit dem Außenmantel des Masts oder einem an diesem befestigten Zylinders einen Spalt, der durch Schwenken um die Vertikale und/oder verlagern des Anlenkpunktes der Schaufeln an der Kopf- und Bodenplatte verkleinert oder vergrößert werden kann. Hierdurch wird einerseits der Luftstrahl erzeugt, der den zusätzlichen Impuls auf die Rotorblätter des horizontal gelagerten Windrades bewirkt und andererseits kann damit auch die Belastung der Schaufelradturbine gesteuert werden.

Der Rotationszylinder ist am Masts, beispielsweise mit einem Kegelrollenlager, drehbar gelagert, das sowohl vertikale als auch radiale Kräfte aufnehmen kann. In diesem Falle stützt sich der Rotationszylinder am oberen Ende über ein Radiallager am Mast ab. Der Mast selbst ist vorzugsweise im Erdreich über ein Stahlbetonfundament verankert.

Ein zweiter elektrischer Generator ist konzentrisch innerhalb oder außerhalb des Schafts, vorzugsweise nahe dem unteren Ende des Rotationszylinders angeordnet. Es ist auch möglich, dass beide Turbinen über ein Getriebe auf einen gemeinsamen Generator wirken, wobei in diesem Falle das Getriebe einen Freilauf aufweisen muss.

Üblicherweise werden zwei getrennte Generatoren oder eine oder mehrere Pumpen angetrieben. Als elektrische Generatoren bieten sich bürsten- und schleifringfreie Unipolar-Generatoren an, die wenig Wartung benötigen.

Vorzugsweise sind die Rotorblätter innen hohl und schließen damit einen Kanal ein, sodass an der Rotornabe über hierfür, vorzugsweise entgegen der Windrichtung weisende Öffnungen, Luft in die Rotorblätter eintreten und an den Blattspitzen über Luftdüsen, die entgegen der Drehrichtung der Propellerturbine, weisen, wieder austreten kann. Damit wird nicht nur ein zusätzlicher Impuls auf jedes Rotorblatt bewirkt, sondern gleichzeitig sinkt der Geräuschpegel an den Rotorblättern, da ein plötzlicher Luftabriss hierdurch vermieden und der induzierte Widerstand verringert wird. Zweckmäßigerweise wird am Lufteintritt an der Nabe eine Strömungsleiteinrichtung, vorzugsweise in Form eines Kegels, dessen Spitze gegen die einströmende Luft weist, angebracht, um Strömungsverluste am Lufteintritt zu reduzieren und Geräusche zu mindern. Gegen das Eindringen von unerwünschten Objekten, auch Vögeln, Eis u. dergl. können die Lufteintrittsöffnungen durch das Anbringen, z. B. von Gittern geschützt oder über Absperrklappen, insbes. gegen Vereisung im Winter, versperrt werden.

Solche Rotorblätter sind zwar an sich aus der Deutschen Offenlegungsschrift 101 26 814 A1 für sich bekannt, nicht jedoch in Verbindung mit einer Schaufelradturbine. Die Vorteile beider Turbinen werden bei der Erfindung genutzt, um den Wirkungsgrad einer kombinierten Windkraftanlage zu steigern und gleichzeitig die Belastung durch Geräusche nicht unverhältnismäßig zu erhöhen.

Die Rotorblätter werden bevorzugt aus Polyvinylharz hergestellt werden, das mit Fasern, z. B. aus nachwachsenden Rohstoffen wie Hanf, Flachs, Sisal, Kenaf oder aber auch Glas- oder Kohlefasern, verstärkt ist. Damit sind die Rotorblätter von niedrigem Gewicht, leicht herstellbar und trotzdem hochbelastbar. Sie können zusätzlich mit Seilen verspannt werden, um den Flieh- und Windkräften entgegenzuwirken.

Der Lufteintritt kann außerdem oder auch ausschließlich über das Abdeckgehäuse des Generators erfolgen, sodass die eintretende Luft gleichzeitig den Generator kühlt und bei kalter Witterung Eisbildung an den Rotorblättern vermindert.

Die beiden elektrischen Generatoren können einzeln oder gemeinsam über eine Spannungsregelungsanlage ins öffentliche Stromnetz die erzeugte elektrische Energie liefern oder andere Stromabnehmer versorgen. Es ist auch möglich, dass eine der beiden Reaktionsturbinen eine Pumpe oder ein andere Arbeitsmaschine antreibt und die andere zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wird.

Figurenbeschreibung
1
Schematische Darstellung einer Duplex-Windkraftanlage
In dieser Figur ist auf einem Mast (1) ein elektrischer Generator (4) exzentrisch, horizontal schwenkbar in einem Lager (5) gehalten, der von einer Propellerturbine mit drehbaren Rotorblättern (3) angetrieben wird. Die Windrichtung ist mit „ Wind „ angedeutet. In 1 kommt der Wind von links und treibt die Propellerturbine, deren Rotorblätter so profiliert sind, dass sie eine Windanströmung von rückwärts brauchen, an. Infolge der exzentrischen Lagerung (x > y) der Propeller-Generatoreinheit auf dem Mast stellt sich der Propeller selbsttätig in eine optimale Ausrichtungsposition zur Windrichtung „ Wind „ ein. Mit (2) ist der Schaft der vertikalen Reaktionsturbine bezeichnet, die am unteren Ende über ein Kegekollenlager (6) am Mast (1) und am oberen Ende über ein Radiallager (7) um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist. Der Wind fängt sich in achsparallel über den Schaft (2) vertikal oder schraubenförmig gewunden verlaufenden Windfangrinnen (9), von denen mindestens eine am Schaft angeordnet ist. Der radiale Abstand der Windfangrinnen (9) untereinander ist dabei so gehalten, dass stets gleicher Winkelabstand zwischen den Windfangrinnen (9) gegeben ist, d.h. bei zwei Windfangrinnen (9) jeweils 180°, bei drei 120° usw.. Die Windfangrinnen sind vorzugsweise radial schwenkbar am Schaft (2) vertikal gelagert, so dass sie bei übermäßigem Wind zum Schaft (2) hin eingefahren werden können. Dies gibt auch die Möglichkeit diejenige Windfangrinne (9), die gerade mit ihrem Rücken gegen den Wind weist, automatisch zum Schaft hin einzufahren, um so den Luftwiderstand zu verringern und erst, wenn sie wieder mit ihrer Vorderseite gegen den Wind steht, voll auszufahren. Abdeckungen sind an den beidseitigen Enden der Windfangrinnen (9), die am Schaft (2) gehalten sind, vorgesehen und verhindern, dass Wind ungenutzt aus den Windfangrinnen (9) entweicht.
Die gegen die Windrichtung „ Wind „ gerichtete Gehäusenase (20) der Generatorverkleidung (18) ist strömungsdynamisch optimiert, d. h. kegelförmig ausgebildet.
Über das Fundament (8) ist der Mast (1) und damit die gesamte Windkraftanlage „WK" im Untergrund, z.B. Erdreich verankert.
1a
Die Windfangrinnen (9) können auch spiral- oder schraubenförmig an der Schaftaußenwandung in vertikaler Richtung verlaufen, so dass der Windangriff nicht abrupt, sondern gleichmäßig verteilt erfolgt. Die Windfangrinnen (9) sind gegen die Windrichtung „ Wind „ hin geöffnet, damit der Wind voll in die Rinne hineintrifft. Hierbei kann die Reaktionsturbine so gestaltet sein, dass ihre Drehrichtung entgegengesetzt zu der, der Rotorblätter (3) der Propellerturbine dreht.
2
2 zeigt die Windkraftanlage in Draufsicht.
Mit (3) sind wieder die Rotorblätter der Propellerturbine, mit (2) der Schaft der Reaktionsturbine und mit (9) die Windfangrinnen bezeichnet, in diesem Falle drei, die mit einem Winkelabstand von 120° am Umfang des Schafts (2) verteilt, angeordnet sind. Die Windrichtung „ Wind „ kommt von links und die Exzentrizität ist wieder x > y, d.h. der Abstand (x) zwischen Drehlager (5) und Rotorflügel ist größer als der Abstand (y) zwischen Drehlager (5) und dem Gehäuseende. Die Windfangrinnen (9) öffnen sich gegen die Windrichtung „ Wind „ und wölben sich in Windrichtung, wenn sie sich in Anblasstellung befindet.
2a
Die Windfangrinnen (9) sind vorzugsweise radial schwenkbar am vertikalen Schaft (2) angelenkt, damit kann ein die Windkraft erfassender Stellmechanismus (21) die dem Wind dargebotene Angriffsfläche der Windfangrinnen (9) so an die Gegebenheiten anpassen, dass optimale Betriebsverhältnisse erreicht werden und trotzdem ein Bruch der Windfangrinnen (9) oder der gesamten Windkraftanlage „ WK „ vermieden wird.
2b
Statt Windfangrinnen (9) zu verwenden können auch Windsegel (22), die radial vom Schaft (2) vorspringen und über Führungsgestänge radial verstellbar gehalten werden, zur Anwendung kommen. Die Windangriffsfläche dieser Segel ist variabel, indem die Segel mehr oder minder weit radial vom Schaft (2) weg aus- bzw. eingefahren werden.
3
3 zeigt den Mast (1), der konzentrisch vom Schaft (2) umgeben ist. Die Nabe (13) weist gegen die Windrichtung „ Wind „ gerichtete Lufteintrittsöffnungen (10) auf, über die Luft im Innern der Rotorblätter (3) angeordnete, in Längsrichtung verlaufende Luftkanäle (19) geleitet wird. Diese Luft tritt über nahe am äußersten Ende der Fotorblätter angebrachte Luftdüsen (14), die gegen die Drehrichtung der Propellerturbine weisen, wieder aus. Dieser Luftstrom vermindert nicht nur den induzierten Widerstand, sondern senkt auch den Geräuschpegel. Um zu vermeiden, dass Schwerkörper, wie z.B. Eis, Vögel und dergl. in die Lufteintrittsöffnungen (10) eindringen, werden sinnvollerweise Schutzgitter (11) an den Lufteintrittsöffnung (10) vorgesehen. Der Lufteintritt kann zusätzlich oder alleine über Belüftungsöffnungen (12) erfolgen, die an dem, gegen die Windrichtung „ Wind „ weiseneden Ende des Generatorgehäuses (18), vorgesehen werden. Hierbei wird nicht nur der Generator gekühlt, sondern gleichzeitig Wärme den Propellerblättern zugeführt, was insbesondere im Winter eine Vereisungsgefahr reduziert. Wenn die Witterungsverhältnisse es gebieten, können über eine Steuereinrichtung automatisch oder von Hand die Lufteintrittsöffnungen (10) und die Belüftungsöffnungen (12) vollständig oder teilweise verschlossen werden.
3a
Um die Rotorblätter möglichst leicht und trotzdem ausreichend stabil zu bauen, können die Rotorblätter (3) über Spannseile (15) zu der rotierenden Nabe (13) hin verspannt werden, wobei eine mögliche Anlenkung der Spannseile (15) an den Rotorblättern (3) in der Nähe der halben Länge der Rotorblätter (3) zu guten Ergebnissen führt (geringe Windgeräusche). Mit (17) ist ein elektrischer Generator bezeichnet, der inne halb oder außerhalb des Schafts (2) angeordnet ist.
4
4 deutet, aus Sicht der Windanblasrichtung, die bei der Rotation der Propellerturbine durch die Rotorblätter (3) bestrichenen Fläche an. Ebenso ist deutlich erkennbar, dass die an den Blattspitzen (16) vorgesehenen Luftaustrittsdüsen (14) gegen die Drehrichtung „ D „ gerichtet sind.
5 und 6
5 und 6 zeigen die erfindungsgemäße Windkraftanlage einmal in Seitenansicht (5) und einmal in Frontalansicht (6)
7 und 8
Schaufelradturbine mit Abdeckschürze in Seitenansicht und Draufsicht

„ WK „: Windkraftanlage
„ Wind „: Windrichtung
1: Mast
2: Schaft
3: Rotorblätter
4: elektrischer Generator, angetrieben von Propellerturbine
5: Lager
6: Kegelrallenlager
7: Radiallager
8: Fundament
9: Windfangrinnen
10: Lufteintrittsöffnung
11: Schutzgitter
12: Belüftungsöffnungen
13: rotierende Nabe
14: Luftaustrittsdüsen
15: Spannseile
16: Blattspitzen der Rotorblätter
17: elektrischer Generator, angetrieben von Reaktionsturbine
18: Generatorverkleidung für Generator (4)
19: Luftkanäle in Rotorblättern
20: strömungsdynamisch ausgebildete Nase am Generatorgehäuse von Generator (4)
21: Stellmechanismus
22: Windsegel
23: Führungsgestänge für Windsegel

Claims

Windkraftanlage (WK), die mindestens eine, auf einem, im Erdreich verankerten Mast (1), horizontal angeordnete, vertikal schwenkbar gelagerte Propellerturbine, mit mehreren, auf einer Nabe (13) drehbar befestigten Rotorblättern (3), umfasst, die einen elektrischen Generator (4), der elektrischen Strom in ein Stromnetz einspeist, und/oder eine andere Arbeitsmaschine antreibt und konzentrisch um denselben Mast (1) eine zweite Reaktionsturbine in Form einer Schaufelradturbine, vom Wind angetrieben dreht und mittels eines elektrischen Generators (17) elektrischen Strom in ein Stromnetz eingespeist, die einen Schaft (2) umfasst, der an seiner Außenseite mindestens eine gewölbte Windfangrinne (9) aufweist, die sich vertikal über einen Teil und/oder den gesamten Schaft (2) in gleichem Winkelabstand der Windfangrinnen (9) untereinander erstrecken und von denen mindestens eine in Anblasstellung gegen die Windrichtung (Wind) geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der dem Mast oder einer, diesen umgebenden zylindrische Wandung zugekehrten Innenflanke der Windfangrille gebildeter Spalt in seiner Breite veränderbar ist und in Strömungsrichtung die Propellerturbine stromab von der Schaufelradturbine angeordnet ist und die Schaufeln der Schaufelradturbine sich in die Rotationsebene der Propellerturbine erstrecken ohne die Propellerblätter zu berühren.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Windfangrinnen (9) schrauben- oder spiralförmig in vertikaler Richtung um den Schaft (2) legen.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (3) innen einen von der Rotornabe (13) ausgehenden Kanal (19) aufweisen, der über, entgegen der Drehrichtung der Propellerturbine gerichtete Luftaustrittsdüsen (14), nahe dem äußersten Ende der Rotorblattspitzen (16), die an der Nabe (13) über Öffnungen (10) angesaugte Luft wieder austreten lassen.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Lufteintrittsöffnungen (10) Schutzgitter (11) und/oder einstellbare Absperreinrichtungen vorgesehen sind, die den Eintritt von Gegenständen oder Eis verhindern.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich oder ausschließlich Luft über Belüftungsöffnungen (12) im Gehäuse des elektrischen Generators (4) in den Kanal (19) in den Rotorblättern (3) zu den Luftdüsen (14) gelangt.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (3) über Spannseile (15) zu einer rotierenden Nabe (13) hin verspannt sind.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter aus Polyvinylkunststoff gefertigt und mittels Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen, wie Hanf, Flachs, Kenaf, Sisal etc. und/oder Glas- oder Kohlefasern verstärkt sind.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteintrittsöffnung (10) an der Rotornabe (13) in strömungsgünstiger Form z. B. als ein Kegel (20) gestaltet ist
Windkraftanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorgehäuse radial schwenkbar auf dem Mast (1) exzentrisch befestigt ist und der Abstand „ x „ zwischen Schwenkachse und der Ebene, in der sich die Rotorblätter drehen, größer ist, als der Abstand „y „ zwischen der Schwenkachse und dem aufwindseitigem Ende des Generatorgehäuses und einem Rotorblattprofil, das den Wind von rückwärts annimmt.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windfangrinnen (9) in Längsrichtung radial am vertikalen Schaft (2) schwenkbar angeordnet und mit einem Verstellmechanismus (21) verbunden sind, der die Windkraft misst und abhängig von dieser, die Windangriffsfläche durch Schwenken der Windfangrillen (9) zum Schaft (2) hin oder von diesem weg, vergrößert oder verkleinert.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schaft (2) und jeder Windfangrille (9) eine in Längsrichtung verlaufende Schürze vorgesehen ist, die, die Schaufeln gegen den anströmenden Wind abdeckt, die mit ihrem Rücken dem Wind zugewendet sind.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die beim Schließen der Windfangrinnen (9) synchron die Dichtung in die Windfangrinne (9) hineinzieht und damit einen Luftspalt zwischen Windfangrinne (9) und Schaft (2) freigibt.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windfangrinnen (9) von einem Segeltuch (22) gebildet sind, das an radial aus dem Schaft (2) herausragenden Gestängen (23) radial beweglich gehalten ist und Gestänge (23) an ihren vom Schaft (2) abgelegenen, äußeren Enden über Verspannungselemente untereinander, zur Verbesserung der Stabilität, verbunden sind.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windfangrinnen (9) mit einer mit dem Schaft (2) verbundenen Fuß- und Bodenplatte verschlossen und in diesen schwenkbar und/oder verschiebbar gelagert sind.
Windkraftanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln der Schaufelradturbine von tragflügelartigen Profilblättern gebildet sind, die den Wind annehmen und die Turbine in Rotation versetzen.