DE102008019276A1

DE102008019276A1 - Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstroms, Windkraftanlage sowie Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102008019276A1
Application number: DE102008019276A
Authority: DE
Inventors: Erhard Sahm
Original assignee: SAHM MARION
Current assignee: SAHM MARION
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2009-10-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100; 100'; 100''; 100'''; 110) zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor (1; 1'; 111) wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes (2) mit Leitflächen (3) für den Gas- oder Flüssigkeitsstrom (2), welche auf wenigstens einen Abschnitt (4) des Drehkreises (5) des Rotors (1; 1'; 110) strömungsleitend wirken. Es ist vorgesehen, dass in Drehrichtung (6) des Rotors (1; 1'; 111) gesehen, die Leitflächen (3) zum einen Ende (7) des Abschnittes (4) hin größer werden. Es ist ferner vorgesehen, dass die Leitflächen (3) auf einen einzigen Abschnitt des Drehkreises (5) des Rotors (1; 1'; 110) strömungsleitend wirken. Darüber hinaus ist eine Nachführeinrichtung vorgesehen, durch welche bei Änderungen der Strömungsrichtung des Gas- oder Flüssigkeitsstromes die Leitflächen (3) auf die geänderte Strömungsrichtung ausrichtbar ist. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage vorgeschlagen (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstroms mit Leitflächen für den Gas- oder Flüssigkeitsstrom, welche auf wenigstens einen Abschnitt des Drehkreises des Rotors strömungsleitend wirken. Die Erfindung betrifft ferner eine Windkraftanlage mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage.
Technologischer Hintergrund
Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie. Dazu weisen Windkraftanlagen eine oder mehrere Rotoren auf, deren Rotorblätter bzw. Schaufeln von der Bewegungsenergie der Windströmung in eine Drehbewegung versetzt werden. Die daraus resultierende Rotationsenergie wird in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Im Vergleich zu anderen Energieerzeugern sind die Rotoren der Windkraftanlage relativ groß auszulegen, um eine vergleichbare Leistung zu erreichen. Windenergie zu verdichten, ehe sie einen Generator antreibt, um damit die Leistung der Windkraftanlage zu steigern, wird daher als Wunschziel der Windkrafttechnik angesehen.
Insbesondere bei Rotoren mit vertikaler Drehachse, wie beispielsweise dem Savonius-Rotor, ist eine Strömungsverstärkung anzustreben, da jene Rotoren bauartbedingt nur einen Teil der des Windes in nutzbare Energie umwandeln können.
Stand der Technik
Aus der DE 196 23 055 A1 ist eine Windkraftanlage bereits bekannt, welche eine strömungsverstärkende Vorrichtung aufweist. Die Vorrichtung hat dazu um den Rotor angeordnete Luftleitflächen, durch welche die Windströmung verstärkt wird, bevor sie in den Rotor eintritt. Die Luftleitflächen sind in ihrer Form und Größe gleich ausgebildet. Darüber hinaus weisen die Luftleitflächen gleichen Abstand zueinander und gleichen Anstellwinkel zum Rotor auf. Auch sind die Luftleitflächen mit dem Gehäuse der Windkraftanlage fest verbunden.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstroms mit den eingangs genannten Merkmalen vorzuschlagen, welche eine Heraufsetzung der Strömungsgeschwindigkeit und damit eine verbesserte Leistungsausbeute ermöglicht. Ferner soll eine entsprechende Windkraftanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Windkraftanlage vorgeschlagen werden.
Erfindung und vorteilhafte Wirkungen
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstroms mit den in Anspruch 1 genannten Merkmale vorgeschlagen. Die Vorrichtung zeichnet sich u. a. dadurch aus, dass in Drehrichtung des Rotors gesehen, die Leitflächen zum einen Ende des Abschnittes hin größer werden.
Durch die Vergrößerung der Leitflächen wird die Geschwindigkeit des auf den Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes erhöht, wodurch der Rotor eine höhere Leistung erbringt. Damit wird eine Wirkungsgradverbesserung der Windkraftanlage erzielt, ohne dass dadurch der mechanisch beanspruchte Rotor größer gebaut werden muss.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass entgegen der Drehrichtung des Rotors gesehen, die Leitflächen zum anderen Ende des Abschnittes hin größer werden. Durch diese Maßnahme wird die Geschwindigkeit des auf den Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes weiter erhöht, sodass eine weitere Wirkungsgradverbesserung erzielt ist, ohne dass dazu der Rotor selbst baulich in seiner Größe verändert werden muss.
Es bietet sich an, in Drehrichtung des Rotors gesehen, die zu dem einen Ende des Abschnitts hin wirkenden Leitflächen gewölbt auszubilden. Vorzugsweise sollten auch die zu dem anderen Ende des Abschnitts hin wirkenden Leitflächen gewölbt ausgebildet sind. Durch die Art und Weise der Wölbung kann der auf die Leitflächen einwirkende Gas- oder Flüssigkeitsstrom gezielt so umgeleitet werden, dass er auf den Abschnitt des Rotordrehkreises strömungsleitend wirkt.
Dabei ist es vorgesehen, dass die Wölbung der zu dem einen Ende des Abschnittes hin wirkenden Leitflächen in Drehrichtung des Rotors liegt und vorzugsweise die Wölbung der zu dem anderen Ende des Abschnitts hin wirkenden Leitflächen entgegen der Drehrichtung des Rotors liegt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leitflächen auf einen einzigen Abschnitt des Drehkreises des Rotors strömungsleitend wirken. Dadurch ist eine weitere Konzentration der Strömungsenergie erzielt, da der auf die Leitflächen wirkende Gas- oder Flüssigkeitsstrom ausschließlich auf den Bereich des Rotordrehkreises geleitet wird, welcher von dem Rotor energetisch verwertet, also in Rotationsenergie umgewandelt wird.
Vorteilhaft ist dies insbesondere, wenn als Rotor ein Savonius-Rotor zum Einsatz kommt. Bei dem Savonius-Rotor kann die auf den Rotor einwirkende Strömung bauartbedingt nicht energetisch genutzt werden, sofern sie auf einen bestimmten Abschnitt des Rotordrehkreises wirkt. Durch die Konzentrierung der Strömung auf einen einzigen Abschnitt des Rotordrehkreises kann ein Anströmen des Rotordrehkreises in einem nicht energetisch verwertbaren Bereich vermieden werden. Diese Ausgestaltung kann auch als eigenständiger Erfindungsgedanke gesehen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leitflächen zueinander beabstandet angeordnet sind. Hierdurch bilden zueinander benachbarte Leitflächen jeweils einen Zuführkanal für die Strömung, sodass mit Vorteil eine gezielte Zuführung der Strömung an den Rotor möglich ist.
Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass benachbarte Leitflächen jeweils einen sich in Richtung des Drehkreises des Rotors verjüngenden Einlasskanal bilden. Durch die Verjüngung ist eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zum Drehkreis des Rotors hin erreicht, sodass dadurch eine weitergehende Konzentrierung des auf den Rotor wirkenden Stromes erzielt ist.
Eine optimale Wirkung der Leitflächen ist gewährleistet, wenn in Richtung der Drehachse des Rotors gesehen, die Länge der Leitflächen im Wesentlichen der Länge des Rotors entspricht.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass Abweisflächen vorgesehen sind, durch welche ein auf den Rotor wirkender Teil des Gas- oder Flüssigkeitsstroms vom Rotor wegführbar ist. Hierdurch ist vermieden, dass ein nicht von den Leitflächen erfasster Teil des Gas- oder Flüssigkeitsstromes störend auf den Rotor wirkt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Abweisflächen derart zueinander ausgerichtet sind, dass sie einen Abschnitt des Drehkreises des Rotors abdecken. Der von den Abweisblechen abgedeckte Bereich des Rotors ist dadurch vor äußeren Störwirkungen, wie beispielsweise Nebenströmungen, abgeschirmt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leitflächen und ggf. die Abweisflächen mit ihrem vom Rotor nach außen stehenden Ende auf den Kanten eines Mehrecks liegen. Hierdurch ist eine optisch ansprechende geometrische Form der Außenkonturen der Leitflächen bzw. Abweisflächen erreicht, durch welche gleichzeitig eine Vergrößerung der Leitflächen im Bereich der Ecken des Mehreckes realisiert ist.
Bevorzugt sollte das Mehreck ein Sechseck sein, da hierdurch eine besonders günstige geometrische Form im Hinblick auf die Vergrößerung der Leitflächen bzw. Abweisflächen vorliegt.
Es bietet sich an, dass die Leitflächen und ggf. die Abweisflächen um die Drehachse des Rotors drehbar sind. Dadurch können die Leitflächen bzw. Abweisflächen durch Verdrehen in die entsprechende Position optimal auf die Richtung des Gas- oder Flüssigkeitsstroms ausgerichtet werden.
Bevorzugt sollten die Leitflächen und ggf. die Abweisflächen gemeinsam um die Drehachse des Rotors drehbar sein, da hierdurch mit geringem Aufwand eine Ausrichtung sämtlicher Leit- bzw. Abweisflächen erreicht ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leitflächen und ggf. die Abweisflächen jeweils um eine Drehachse drehbar gelagert sind, wobei die Drehachsen parallel zur Drehachse des Rotors liegen. Hierdurch können die Leitflächen in ihrem Anströmwinkel gegenüber dem Rotor individuell und flexibel eingestellt werden. Auch die Abweisflächen lassen sich dadurch individuell und flexibel in eine vorgebbare Position ausrichten.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Leitflächen und ggf. die Abweisflächen zueinander fest angeordnet sind. Hierdurch lassen sich die Leitflächen bzw. Abweisflächen in kostengünstiger Weise bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisieren, in dem beispielsweise die Leitflächen und Abweisflächen zueinander in ausgerichteter Position unbeweglich, beispielsweise in einem Gehäuse der Vorrichtung montiert oder angeformt vorliegen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner eine Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstroms mit den in Anspruch 16 genannten Merkmalen vorgeschlagen. Die Vorrichtung zeichnet sich u. a. dadurch aus, dass eine Nachführeinrichtung vorgesehen ist, durch welche bei Änderungen der Strömungsrichtung des Gas- oder Flüssigkeitsstroms die Leitflächen der Vorrichtung auf die geänderte Strömungsrichtung ausrichtbar sind.
Durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. deren Leitflächen auch bei Änderungen der Hauptströmungsrichtung des Gas- oder Flüssigkeitsstroms optimal in der Strömungsrichtung liegen, in dem die Leitflächen einer sich ändernden Strömungsrichtung entsprechend nachgeführt werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Nachführeinrichtung wenigstens einen Sensor zur Erfassung der Strömungsrichtung, eine Antriebseinheit zum Verdrehen der drehbar um die Rotordrehachse angeordneten Leitflächen und ggf. Abweisflächen sowie eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung aufweist. Hierdurch ist eine Nachführung der Vorrichtung auf eine sich ändernde Hauptströmungsrichtung selbsttätig möglich.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zusätzlich eine Einrichtung zum Ausrichten des Anströmwinkels der Leitflächen vorgesehen ist. Dadurch ist eine weitergehende Konzentrierung des auf den Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstroms erreicht, da die Leitflächen bezüglich der Strömungsrichtung des Gas- oder Flüssigkeitsstroms und zusätzlich bezüglich des Anströmwinkels gegenüber dem Drehkreis des Rotors optimal ausgerichtet werden können.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Ausrichteinrichtung besteht darin, dass eine Antriebseinheit zum Ausrichten der Leitflächen und wenigstens zwei Sensoren zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen sind, wobei wenigstens ein Sensor in Strömungsrichtung vor den Leitflächen und wenigstens ein Sensor im Bereich des dem Rotordrehkreis zugewandten Endes der Leitflächen angeordnet ist. Darüber hinaus ist eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinrichtung in Abhängigkeit der Geschwindigkeitsdifferenz vorgesehen. Eine derartige Ausrichteinrichtung ermöglicht ein selbsttätiges und schnelles Ausrichten der Leitflächen bzw. Abweisflächen unter Berücksichtigung der durch die Leitflächen hervorgerufenen Geschwindigkeitsänderung der Strömung.
Es bietet sich dabei an, die Regelungs- und/oder Steuerungseinheit der Nachführeinrichtung und die Regelungs- und/oder Steuerungseinheit der Ausrichteinrichtung miteinander zu koppeln, um die Leitfläche und ggf. die Ausweisfläche bestmöglich auszurichten.
Besonders kostengünstig und bauraumsparend ist es, wenn die Nachführeinrichtung und die Ausrichteinrichtung eine gemeinsame Regelungs- und/oder Steuerungseinheit aufweisen.
Bevorzugt ist die Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstroms Teil einer Windkraftanlage.
Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage vorgeschlagen, welche die in Anspruch 22 genannten Merkmale aufweist. Die Windkraftanlage hat eine Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes, wobei die Vorrichtung auf wenigstens einen Abschnitt des Drehkreises des Rotors strömungsleitende Leitflächen aufweist. Das Verfahren zeichnet sich u. a. dadurch aus, dass die Leitflächen in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung um die Drehachse des Rotors motorisch gedreht werden.
Durch diese Maßnahme ist bei einer sich ändernden Richtung des Gas- oder Flüssigkeitsstromes ein Rotorbetrieb mit höchstem Wirkungsgrad möglich, da die Leitflächen an eine sich ändernde Strömungsrichtung nachgeführt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leitflächen in Abhängigkeit von der Differenz der Strömungsgeschwindigkeit an Anfang und Ende der Leitflächen jeweils in ihrem Anströmwinkel gegenüber dem Rotor motorisch ausgerichtet werden. Hierdurch kann die strömungsverstärkende Wirkung durch die jeweilige Leitfläche individuell vorgegeben werden.
Ausführungsbeispiele
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes als Schnittdarstellung in Draufsicht,
2 die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 1 in perspektivischer Darstellung,
3 eine weitere mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstroms als Schnittdarstellung in Draufsicht,
4 die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 3 in perspektivischer Darstellung,
5 die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 3 mit Bedachung in perspektivischer Darstellung,
6 die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 3 mit einer Ausrichteinheit für die Leitflächen der Vorrichtung als Schnittdarstellung in Draufsicht
7 eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes in Kombination mit einem Rotor mit horizontaler Drehachse, montiert auf dem Dach eines Gehäuses als Schnittdarstellung in Vorderansicht,
8 die Ausführungsform gemäß 7 in perspektivischer Darstellung,
9 eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen der Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes in Kombination mit einem Rotor in Art eines Flügelrades als Schnittdarstellung in Draufsicht und
10 die Vorrichtung und das Flügelrad gemäß 9 in perspektivischer Darstellung.
1 und 2 zeigen – in schematischer Darstellung – ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor 1 wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes 2. Die Vorrichtung 100 kann Teil einer Windkraftanlage oder einer Wasserkraftanlage sein, welche insbesondere für den häuslichen und kleingewerblichen Bereich geeignet ist. Der dabei zum Einsatz kommende Rotor 1 hat vorzugsweise eine vertikal angeordnete Drehachse 10 und ist für eine Strömungsbeaufschlagung quer zur Drehachse 10 ausgebildet.
Die Vorrichtung 100 weist Leitflächen 3 auf, welche zu dem Rotor 1 derart ausgerichtet sind, dass die Leitflächen 3 den Gas- oder Flüssigkeitsstrom 2 zu einem Abschnitt des Drehkreises 5 des Rotors 1 gezielt hin leiten. Dieser Abschnitt ist in 1 mit dem Bezugszeichen 4 versehen und durch eine durchgezogene dicke Linie kenntlich gemacht. Durch die Leitflächen 3 erhöht sich die Geschwindigkeit des auf den Rotor 1 wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes 2 und damit auch die Drehzahl des Rotors 1, ohne dass dafür der Rotor 1 in seinen baulichen Abmessungen vergrößert werden muß.
Bevorzugt werden die Leitflächen 3 in Drehrichtung 6 des Rotors 1 gesehen, zum einen Ende 7 des Abschnittes 4 hin größer. Ferner werden auch die Leitflächen 3 zum anderen Ende 8 des Abschnittes 4 hin größer.
Die Leitflächen 3 sind gewölbt ausgebildet. Bevorzugt weisen die in Drehrichtung 6 des Rotors 1 zum Ende 7 des Abschnittes 4 hin wirkenden Leitflächen 3 eine Wölbung in Drehrichtung 6 des Rotors 1 auf. Demgegenüber weisen die zu dem anderen Ende 8 des Abschnittes 4 hin wirkenden Leitflächen 3 eine Wölbung auf, welche entgegen der Drehrichtung 6 des Rotors 1 liegt.
Bevorzugt sind die Leitflächen 3 zueinander beabstandet angeordnet, wobei benachbarte Leitflächen jeweils einen sich in Richtung des Drehkreises 5 des Rotors 1 verjüngenden Einlaßkanal 9 bilden. In Richtung der Drehachse 10 des Rotors 1 gesehen, erstrecken sich die Leitflächen 3 und der Rotor 1 im Wesentlichen mit gleicher Länge.
Zusätzlich zu den Leitflächen 3 weist die Vorrichtung 100 Abweisflächen 11, 12 auf, welche den darauf auftreffenden Gas- oder Flüssigkeitsstrom vom Rotor 1 abhalten. Bevorzugt sind dazu die Abweisflächen 11 derart ausgerichtet, dass der Gas- oder Flüssigkeitsstrom von dem Rotor 1 weggeleitet wird. Alternativ oder zusätzlich zu den Abweisflächen 11 können die weiteren Abweisflächen 12 derart zueinander ausgerichtet sein, dass sie einen Abschnitt des Drehkreises 5 des Rotors 1 abdecken, vorzugsweise vollständig abdecken.
Bei der Vorrichtung 100 gemäß der 1 und 2 sind die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 11, 12 an einem gemeinsamen Tragrahmen 13 angeordnet. Der Tragrahmen 13 weist ein oberes ringförmiges Teil 27 sowie ein unteres ringförmiges Teil 28 auf, wobei dazwischen die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 11, 12 angeordnet sind. Bevorzugt sind das obere Teil 27 und das untere Teil 28 koaxial zur Drehachse 10 des Rotors 1 angeordnet, wobei die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 11, 12 über den Umfang des Rotors 1 verteilt liegen.
Die Luftleitflächen 3 und die Abweisflächen 11, 12 sind bevorzugt an plattenartigen Elementen, bspw. Blechen gebildet. Die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 11, 12 sind an stabartigen Elementen 16 angeordnet, welche zwischen dem oberen Teil 27 und dem unteren Teil 28 liegen. Bevorzugt sind die Leitflächen 3 sowie die Abweisflächen 11, 12 derart an dem Tragrahmen 13 angeordnet, dass die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 11, 12 über die stabförmigen Elemente 16 verdrehbar sind.
Bei der Vorrichtung 100 gemäß der 1 und 2 sind die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 11, 12 in eine vorgegebene Position um die als Drehachse wirkenden Elemente 16 verdreht bzw. ausgerichtet und liegen im montierten Zustand der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zueinander fest angeordnet vor.
Ferner sind die Leitflächen 3 sowie die Abweisflächen 11, 12 um die Drehachse 10 des Rotors 1 drehbar. Bevorzugt ist dazu der Tragrahmen 13 drehbar um die Drehachse 10 des Rotors 1 ausgebildet, so dass die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 11, 12 gemeinsam um die Drehachse 10 des Rotors 1 drehbar sind. Dadurch ist ein Auslenken der Leitflächen 3 wie auch der Abweisflächen 11, 12 nach der Hauptströmungsrichtung des Gas- bzw. Flüssigkeitsstromes 2 möglich. Diese Ausrichtung kann grundsätzlich händisch erfolgen.
Bei der Vorrichtung 100 gemäß der 1 und 2 ist dazu eine selbsttätige Nachführeinrichtung 17 vorgesehen, durch welche bei Änderungen der Strömungsrichtung des Gas- oder Flüssigkeitsstromes 2 die Leitflächen 3 wie auch die Abweisflächen 11, 12 auf die geänderte Strömungsrichtung ausgerichtet werden.
Die Nachführeinrichtung 17 weist wenigstens einen Sensor 18 zur Erfassung der Strömungsrichtung und eine Antriebseinheit 21 zum Verdrehen des Tragrahmens 13 um die Drehachse 10 des Rotors 1 auf. Darüber hinaus ist eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit 19 zum Steuern und/oder Regeln der vorzugsweise elektromotorischen Antriebseinheit 21 in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung vorgesehen. Die Regelungs- und/oder Steuerungseinheit 19 ist mittels wenigstens einer Signalleitung 25 mit dem Sensor 18 und mittels wenigstens einer Steuerleitung 26 mit der Antriebseinheit 21 verbunden.
Es ist eine (hier nicht dargestellte) Feststelleinrichtung vorgesehen, welche den Tragrahmen 13 nach seiner Ausrichtung festhält. Die Fixierung kann alternativ auch durch die Antriebseinheit selbst erfolgen.
Der Rotor 1 ist bevorzugt als Savonius-Rotor mit wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder mehr Schaufeln bzw. Flügeln ausgebildet. Natürlich kann der Rotor 1 auch ein Darrieus-Rotor, Flügelrad oder dergleichen Rotationsvorrichtung sein.
Die Vorrichtung 100 bietet bei einem als Savonius-Rotor ausgebildeten Rotor 1 den Vorteil, dass Gas- oder Flüssigkeitsströme durch die Abweisflächen 11, 12 von dem Rotor 1 abgehalten werden, welche ansonsten entgegen der Drehrichtung 7 des Rotors 1 auf die Rotorschaufeln wirken und somit eine Bremswirkung entfalten würden.
3 und 4 zeigen – in schematischer Darstellung – eine weitere mögliche Ausführungsform der Vorrichtung 100' zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes. Bauteile, welche mit den Bauteilen der Vorrichtung 100 gemäß der 1 und 2 identisch sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen; insoweit wird auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
Die Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der Vorrichtung 100 gemäß der 1 und 2 und unter anderem in der Ausgestaltung des Tragrahmens 13, welcher in den 3 und 4 mit dem Bezugszeichen 13' versehen ist. Wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, weist der Tragrahmen 13' ein oberes Teil 29 und ein unteres Teil 30 auf, zwischen denen die Leitflächen 3 sowie Abweisflächen 31 angeordnet sind. Das obere Teil 29 und das untere Teil 30 sind identisch als Sechseck, vorzugsweise in Art einer Platte ausgebildet. Die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 31 sind bei Vorrichtung 100' gemäß der 3 und 4 nach den Kanten 15 des unteren Teils 30 und des oberen Teils 29 ausgerichtet. Mit anderen Worten kommen die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 31 im ausgerichteten Zustand mit ihrem vom Rotor 1 nach außen stehende Ende 14 im Wesentlichen auf den Kanten 15 des oberen Teils 29 bzw. unteren Teils 30 zu liegen.
Die Vorrichtung 100' gemäß der 3 und 4 ist bei einem Einsatz als Windkraftanlage zusätzlich mit einer Dachabdeckung 32 versehen, wie sie aus 5 ersichtlich ist. Die Dachabdeckung 32 befindet sich auf dem oberen Teil 29 und weist auf ihrem First den Sensor 18 zur Erfassung der Strömungsrichtung auf.
6 zeigt – in schematischer Darstellung – eine Weiterentwicklung der Vorrichtung 100 bzw. 100' gemäß der 1 bis 4 bzgl. der Steuerungs- und Regelungstechnik. Bauteile der Vorrichtung 100'' gemäß 6, welche mit denen der Ausführungsform gemäß der 1 bzw. 4 identisch sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, insoweit wird auf die Beschreibung zu den 1 bis 4 verwiesen.
Die Vorrichtung 100'' gemäß 6 unterscheidet sich von den Ausführungsformen gemäß der 1 bis 4 u. a. dadurch, dass zusätzlich eine Einrichtung 21 zum Ausrichten des Anströmwinkels der Leitflächen 3 vorgesehen ist. Bevorzugt ist mittels der Einrichtung 21 auch ein Ausrichten der Abweisflächen 31 möglich. Die Ausrichteinrichtung 21 weist eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit 22 und eine (nicht dargestellte) Antriebseinheit, vorzugsweise elektromotorische Antriebseinheit, zum Ausrichten der Leitflächen 3 und/oder Abweisflächen 31 auf. Darüber hinaus hat die Ausrichteinrichtung 21 wenigstens zwei Sensoren 23, 24 zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit. Die Sensoren 23, 24 sind in der Weise angeordnet, dass die Geschwindigkeitszunahme der Strömung aufgrund der Leitflächen 3 ermittelbar ist. Dazu ist vorzugsweise der Sensor 23 in Strömungsrichtung gesehen, vor den Leitflächen 3 und der Sensor 24 im Bereich des dem Rotordrehkreis 5 zugewandten Endes der Leitflächen 3 angeordnet. Die Sensoren 23, 24 sind jeweils mittels wenigstens einer Signalleitung 25' mit der Regelungs- und/oder Steuerungseinheit 22 wirkverbunden, welche wiederum mittels wenigstens einer Steuerleitung 26' mit der (hier nicht dargestellten) Antriebseinheit wirkverbunden ist.
Bei der Vorrichtung 100'' gemäß der 6 sind die Regelungs- und/oder Steuerungseinheit 19 der Nachführeinrichtung 17 und die Regelungs- und/oder Steuerungseinheit 22 der Ausrichteinrichtung 21 miteinander gekoppelt. Damit können zum einen die Leitflächen 3 und die Abweisflächen 31 in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung um die Drehachse 10 des Rotors 1 verdreht werden. Zum anderen können die Leitflächen 3 wie auch die Abweisflächen 31 jeweils einzeln in Abhängigkeit von der Differenz der Strömungsgeschwindigkeit am Anfang und Ende der Leitflächen 3 ausgerichtet werden.
Durch die selbsttätige Verstellung der Leitflächen 3 mittels der Nachführeinrichtung 17 und/oder der Ausrichteinrichtung 21 ist insofern auch eine Einflussnahme auf den (nicht dargestellten) Generator der Windkraftanlage bzw. Wasserkraftanlage möglich. Damit ist bspw. bei optimal ausgerichteten Leitflächen eine starke Strömungskonzentrierung und folglich eine hohe Generatorleistung erzielbar. Bei suboptimaler Ausrichtung der Leitflächen 3 ist eine entsprechend herabgesetzte Generatorleistung erreicht.
7 und 8 zeigen eine andere Ausführungsform der Vorrichtung 100'' zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes. Die Vorrichtung 100'' gemäß der 7 und 8 unterscheidet sich von den Ausführungsformen gemäß der 1 bis 6 u. a. dadurch, dass sie für den Einsatz mit einem Rotor 1' ausgebildet ist, welcher eine horizontal angeordnete Drehachse 10' aufweist. Bevorzugt sind die Vorrichtung 100' und der Rotor 1' für den Einsatz auf dem Dach eines Gebäudes verwendbar.
Die Vorrichtung 100'' gemäß der 7 und 8 unterscheidet sich von den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 6 ferner u. a. dadurch, dass der Rotor 1' wie auch die Leitflächen 3 und Abweisflächen 31 in Richtung der Drehachse 10 des Rotors 1' kürzer ausgebildet sind.
9 und 10 zeigen – in schematischer Darstellung – eine weitere Ausführungsform 110 der Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes. Die Vorrichtung 110 unterscheidet sich von der Ausführungsform 100' gemäß der 3 und 4 sowie der Ausführungsform 100'' gemäß der 6 unter anderem durch die Ausgestaltung des oberen Teiles 21 und unteren Teiles 30, zwischen denen die Leitflächen 3 und Abweisflächen 31 angeordnet sind. Bei der Ausführungsform 110 gemäß der 9 und 10 weisen das obere Teil 29 und das untere Teil 30 jeweils eine viereckige, vorzugsweise quadratische Form der Oberfläche auf. Die Ecken des Viereckes bieten auch bei dieser Ausführungsform 110 die Möglichkeit, dass die Leitflächen 3 zu dem einen Ende 7 wie auch zu dem anderen Ende 8 des Abschnittes 4 hin größer ausgebildet werden können, ohne dass die Leitflächen 3 über der von dem Mehreck des unteren Teiles 30 wie auch des oberen Teiles 29 gebildeten Fläche überstehen. Die Gefahr von Verletzungen durch etwaige überstehende scharfe Kanten der Leitflächen 3 ist dadurch vermieden.
Darüber hinaus ist bei der Vorrichtung 110 gemäß der 9 und 10 wenigstens eine zusätzliche Leitfläche 3' vorgesehen, welche im Wesentlichen quer zur Leitfläche 3 angeordnet ist. Die wenigstens eine zusätzliche Leitfläche 3' ist bevorzugt an dem unteren Teil 30 der Vorrichtung 110 angeordnet und bevorzugt ist die zusätzliche Leitfläche 3' in der Weise ausgerichtet, dass der Teil des Luft- und Flüssigkeitsstromes 2, welcher in vertikaler Richtung gesehen, oberhalb und/oder unterhalb der Leitflächen 3 an der Vorrichtung 110 vorbeiströmen würde, durch die zusätzliche Leitfläche 3' erfasst und von dieser in Richtung zu den Leitflächen 3 geleitet bzw. geführt ist. Bevorzugt ist die zusätzliche Leitfläche 3' an ihrem einen Ende an der Kante 15 des unteren Teiles 30 bündig angebracht und schräg nach unten ausgerichtet. Bevorzugt können auch mehrere zusätzliche Leitflächen 3' vorgesehen sein, welche beispielsweise über den gesamten Umfang des unteren Teiles 30 angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ kann auch wenigstens eine zusätzliche Leitfläche 3' an dem oberen Teil 29 der Vorrichtung 110 angeordnet sein. Auch können mehrere zusätzliche Leitflächen 3' vorgesehen sein, welche beispielsweise über den gesamten Umfang des oberen Teiles 29 angeordnet sind. Die zusätzliche Leitfläche 3' des unteren Teiles 30 und wenigstens eine zusätzliche Leitfläche 3' des oberen Teiles dabei bevorzugt in der Weise zueinander ausgerichtet, dass sie trichterförmig in Richtung zu den Leitflächen 3 der Vorrichtung 110 verlaufen.
Wie insbesondere aus 9 ersichtlich ist, ist die Vorrichtung 110 mit Rotor 111 kombiniert, welcher als Flügelrad ausgebildet ist. Der Rotor 111 weist dabei mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Flügel auf, welche in gleichem Abstand zueinander und in gleicher Ausrichtung zueinander angeordnet sind und konzentrisch um die Drehachse 10 des Rotors 111 liegen.
Sämtliche weiteren Bauteile der Vorrichtung 110 sowie des Rotors 111, welche identisch mit den Bauteilen der Vorrichtungen 100, 100', 100'', 100''' bzw. des Rotors 1, 1' gemäß der 1 bis 8 sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen; insoweit wird auf die Beschreibung zu jenen Ausführungsformen verwiesen.

1, 1': Rotor
2: Gas- oder Flüssigkeitsstrom
3: Leitflächen
3': zusätzliche Leitfläche
4: Abschnitt
5: Drehkreis des Rotors
6: Drehrichtung des Rotors
7: Ende des Abschnittes
8: anderes Ende des Abschnittes
9: Einlaßkanal
10, 10': Drehachse des Rotors
11: Abweisflächen
12: Abweisflächen
13, 13': Tragrahmen
14: nach außen stehendes Ende
15: Kanten
16, 16': stabförmiges Element, Drehachse der Leitfläche bzw. Abweisfläche
17: Nachführeinrichtung
18: Sensor zur Erfassung der Strömungsrichtung
19: Regelungs- und/oder Steuerungseinheit
20: Antriebseinheit
21: Ausrichteinrichtung
22: Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung
23: Sensor zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit
24: Sensor zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit
25, 25': Signalleitung
26, 26': Steuerleitung
27: oberer Ringteil
28: unteres Ringteil
29: oberes Teil
30: unteres Teil
31: Abweisfläche
32: Dachabdeckung
100, 100', 100'', 100''': Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes
110: Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes
111: Rotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19623055 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (100; 100'; 100''; 100'''; 111) zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor (1; 1'; 111) wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes (2) mit Leitflächen (3) für den Gas- oder Flüssigkeitsstrom (2), welche auf wenigstens einen Abschnitt (4) des Drehkreises (5) des Rotors (1; 1') strömungsleitend wirken, dadurch gekennzeichnet, dass in Drehrichtung (6) des Rotors (1; 1') gesehen, die Leitflächen (3) zum einen Ende (7) des Abschnittes (4) hin größer werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entgegen der Drehrichtung (6) des Rotors (1; 1'; 111) gesehen, die Leitflächen (3) zum anderen Ende (8) des Abschnittes (4) hin größer werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Drehrichtung (6) des Rotors (1; 1'; 111) gesehen, die zu dem einen Ende (7) des Abschnittes (4) hin wirkenden Leitflächen (3) gewölbt ausgebildet und vorzugsweise deren Wölbung in Drehrichtung (6) des Rotors (1; 1') liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass entgegen der Drehrichtung (6) des Rotors (1; 1'; 111) gesehen, die zu dem anderen Ende (8) des Abschnittes (4) hin wirkenden Leitflächen (3) gewölbt ausgebildet und vorzugsweise deren Wölbung entgegen der Drehrichtung (6) des Rotors (1; 1'; 111) liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (3) auf einen einzigen Abschnitt (4) des Drehkreises (5) des Rotors (1; 1'; 111) strömungsleitend wirken.
Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor (1; 1'; 111) wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes (2) mit Leitflächen (3) für den Gas- oder Flüssigkeitsstrom (2), welche auf wenigstens einen Abschnitt (4) des Drehkreises (5) des Rotors (1; 1'; 111) strömungsleitend wirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (3) auf einen einzigen Abschnitt (4) des Drehkreises (5) des Rotors (1; 1'; 111) strömungsleitend wirken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (3) zueinander beabstandet angeordnet sind und vorzugsweise benachbarte Leitflächen (3) jeweils einen sich in Richtung des Drehkreises (5) des Rotors (1) verjüngenden Einlasskanal (9) bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Drehachse (10; 10') des Rotors (1; 1'; 111) gesehen, die Länge der Leitflächen (3) im Wesentlichen der Länge des Rotors (1; 1'; 111) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abweisflächen (11, 12; 31) vorgesehen sind, durch welche ein auf den Rotor (1; 1'; 111) wirkender Teil des Gas- oder Flüssigkeitsstromes (2) vom Rotor (1; 1'; 111) wegführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Abweisflächen (12) derart zueinander ausgerichtet sind, dass sie einen Abschnitt des Drehkreises (5) des Rotors (1; 1'; 111) abdecken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (3) und ggf. die Abweisflächen (11, 12; 31) mit ihrem vom Rotor (1; 1'; 111) nach außen stehenden Ende (14) auf den Kanten (15) eines Mehrecks, vorzugsweise Sechsecks, liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (3) und ggf. die Abweisflächen (11, 12; 31), vorzugsweise gemeinsam, um die Drehachse (10; 10') des Rotors (1; 1'; 111) drehbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (3) und ggf. die Abweisflächen (11, 12; 31) jeweils um eine Drehachse (16') drehbar gelagert sind, welche parallel zur Drehachse (10; 10') des Rotors (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (3) und ggf. die Abweisflächen (11, 12; 31) zueinander fest angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachführeinrichtung (17) vorgesehen ist, durch welche bei Änderungen der Strömungsrichtung des Gas- oder Flüssigkeitsstromes (2) die Leitflächen (3) auf die geänderte Strömungsrichtung ausrichtbar sind.
Vorrichtung zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor (1; 1'; 111) wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes (2) mit Leitflächen (3) für den Gas- oder Flüssigkeitsstrom (2), welche auf wenigstens einen Abschnitt (4) des Drehkreises (5) des Rotors (1; 1'; 111) strömungsleitend wirken, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachführeinrichtung (17) vorgesehen ist, durch welche bei Änderungen der Strömungsrichtung des Gas- oder Flüssigkeitsstromes die Leitflächen (3) auf die geänderte Strömungsrichtung ausrichtbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführeinrichtung (17) wenigstens einen Sensor (18) zur Erfassung der Strömungsrichtung, eine Antriebseinheit (20) zum Verdrehen der drehbar um die Rotordrehachse (10; 10') angeordneten Leitflächen (3) und ggf. Abweisflächen (11, 12; 31) eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit (19) zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (20) in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (21) zum Ausrichten des Anströmwinkels der Leitflächen (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichteinrichtung (21) eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit (22), eine Antriebseinheit zum Ausrichten der Leitflächen und wenigstens zwei Sensoren (23, 24) zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit, wobei vorzugsweise zur Erfassung der Geschwindigkeitsdifferenz wenigstens ein Sensor (23) in Strömungsrichtung vor den Leitflächen (3) und wenigstens ein Sensor (24) im Bereich des dem Rotordrehkreis (5) zugewandten Endes der Leitflächen (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungs- und/oder Steuerungseinheit (19) der Nachführeinrichtung (17) und die Regelungs- und/oder Steuerungseinheit (22) der Ausrichteinrichtung (21) miteinander gekoppelt sind, vorzugsweise die Nachführeinrichtung (17) und die Ausrichteinrichtung (21) eine gemeinsame Regelungs- und/oder Steuerungseinheit aufweisen.
Windkraftanlage mit einer Vorrichtung (100; 100'; 100''; 100'''; 110) zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor (1; 1'; 111) wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes (2).
Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage mit einer Vorrichtung (100; 100'; 100''; 100'''; 110) zum Konzentrieren der Strömungsenergie eines auf einen Rotor (1; 1'; 111) wirkenden Gas- oder Flüssigkeitsstromes, welche (2) auf wenigstens einen Abschnitt (4) des Drehkreises (5) des Rotors (1; 1') strömungsleitend wirkende Leitflächen (3) aufweisen, wobei die Leitflächen (3) in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung um die Drehachse (10; 10') des Rotors (1) motorisch gedreht werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (3) in Abhängigkeit von der Differenz der Strömungsgeschwindigkeit am Anfang und am Ende der Leitflächen (3) jeweils in ihrem Anströmwinkel auf den Rotor (1; 1'; 111) motorisch eingestellt werden.