DE102008023700A1

DE102008023700A1 - Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102008023700A1
Application number: DE200810023700
Authority: DE
Inventors: Heinrich J. Büns
Original assignee: AP Aero Power Ltd
Current assignee: AP Aero Power Ltd
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-12
Also published as: WO2009135481A1

Abstract

Die Vorrichtung dient zur Erzeugung von elektrischer Energie und weist mindestens einen von einer Luftströmung antreibbaren Rotor und mindestens einen elektrischen Generator auf, der mit dem Rotor gekoppelt ist. Eine Rotationsachse des Rotors ist im Wesentlichen senkrecht angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, die mindestens einen von einer Luftströmung antreibbaren Rotor und mindestens einen elektrischen Generator aufweist, der mit dem Rotor gekoppelt ist.
Derartige Vorrichtungen sind typischerweise als Windkraftkonverter ausgebildet. Derartige Windkraftkonverter sind in vielfältigen Ausführungsformen und in unterschiedlichen Leistungsklassen erhältlich. Ein Problem derartiger Windkraftkonverter besteht darin, daß eine gleichmäßige Energieabgabe nicht gewährleistet werden kann, da insbesondere bei landgestützten Anwendungen sehr unterschiedliche Windstärken vorliegen. Auch bei Offshore-Anwendungen liegen Schwankungen der Windstärke vor.
Die ungleichmäßige Energieabgabe resultiert nicht nur daraus, daß die Windkraftkonverter bei einer Windstille keine Energie erzeugen, sondern auch bei geringen Windstärken ist aufgrund von vorhandener technischer Randbedingungen ein Betrieb nicht möglich, so daß eine vergleichsweise große Mindestwindstärke vorhanden sein muß. Bei zu großen Windstärken müssen die Windkraftkonverter ebenfalls stillgelegt oder aus dem Wind herausgedreht werden, da konstruktionsbedingt zu große Windstärken zu große Kräfte im Bereich der Lager und der Windschaufeln erzeugen und darüber hinaus Schwingungen mit unzulässigen Schwingungsamplituden auftreten können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß ein nutzbarer Betriebsbereich vergrößert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Rotationsachse des Rotors im wesentlichen senkrecht angeordnet ist.
Die senkrechte Anordnung der Rotationsachse ermöglicht die Einleitung wesentlich größerer Kräfte in den Rotor, als dies bei einer horizontalen Lagerung möglich wäre, da Längskräfte im Lagerbereich vermieden werden. Darüber hinaus können die Rotorschaufeln derart ausgebildet werden, daß zum einen in einem Betriebsbereich geringer Luftströmungen eine Erzeugung elektrischer Energie ermöglicht wird, darüber hinaus aber auch in einem Bereich hoher Windstärken eine Energieerzeugung möglich ist, da die Luftschaufeln wesentlich mechanisch robuster konstruiert werden können.
Eine Nachführung des Rotors bei unterschiedlichen Windrichtungen kann dadurch vermieden werden, daß sich Luftschaufeln des Rotors mit ihren Längsachsen im wesentlichen in senkrechter Richtung erstrecken.
Insbesondere erweist es sich als vorteilhaft, daß die Luftschaufeln in einer im wesentlichen horizontalen Querschnittebene eine Querschnittfläche aufweisen, die halbkreisähnlich konturiert ist.
Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades läßt sich dadurch erreichen, daß die Luftschaufeln in lotrechter Richtung oben und unten mit einer Begrenzungswandung versehen sind.
Geringe Rotordrehzahlen bei gleichzeitig hohen Generatordrehzahlen werden dadurch ermöglicht, daß der Rotor über ein Getriebe mit dem Generator gekoppelt ist.
Eine typische Ausführungsform besteht darin, daß der Rotor als Windkraftkonverter ausgebildet ist.
Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß der Rotor als Teil eines Konvertermoduls zur kontinuierlichen Energieerzeugung ausgebildet ist.
Zur Anpassung an unterschiedliche Leistungsanforderungen wird vorgeschlagen, daß mindestens zwei Konvertermodule modular miteinander koppelbar sind.
Eine optimale Positionierung des Windkraftkonverters wird dadurch unterstützt, daß das Konvertermodul auf einem Ständer angeordnet ist.
Ein verfügbarer Leistungsbereich kann dadurch vergrößert werden, daß benachbart zu den Luftschaufeln mindestens ein Diffusor angeordnet ist, der mit einem Drucklufterzeuger verbunden ist.
Optimale Strömungsverhältnisse werden dadurch unterstützt, daß eine Ausströmrichtung des Diffusors im wesentlichen senkrecht zu einer Einströmfläche einer Luftschaufel angeordnet ist, die sich in einem Bereich eines konstruktiv vorgegebenen geringsten Abstandes zum Diffusor befindet.
Zur weiteren Unterstützung einer kontinuierlichen Energieerzeugung wird vorgeschlagen, daß der Drucklufterzeuger eine Basisanströmung der Luftschaufeln bereitstellt.
Zusätzliche Energiequellen können dadurch erschlossen werden, daß benachbart zum Konvertermodul mindestens eine Photovoltaikanlage angeordnet ist. Insbesondere kann diese Energie zum Betrieb des Drucklufterzeugers verwendet werden.
Ein gleichmäßiger Anlagenbetrieb kann auch dadurch unterstützt werden, daß das Konvertermodul mit einem Speicher für Energie gekoppelt ist.
Eine nochmalige Verbesserung des Wirkungsgrades läßt sich dadurch erreichen, daß benachbart zum Rotor mindestens ein Strömungsleitelement angeordnet ist.
Eine Koordinierung der einzelnen Anlagenkomponenten ist dadurch möglich, daß das Konvertermodul mit einer elektronischen Steuereinheit gekoppelt ist.
In den Zeichnungen der Erfindung sind Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Windkraftkonverters mit vertikaler Drehachse und Luftschaufeln mit halbkreisartiger Querschnittfläche und
2 eine modulare Anordnung von zwei Windkraftkonvertern mit ähnlicher konstruktiver Grundgestaltung wie in 1.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Windkraftkonverters. Der Windkraftkonverter ist mit Luftschaufeln (1) versehen, die über Befestigungsprofile (2) mit einer Rotationsachse (3) verbunden sind. Die Rotationsachse (3) verläuft im wesentlichen in einer vertikalen Richtung. Die Luftschaufeln (1) sind mit Längsachsen (21) ebenfalls in einer vertikalen Richtung angeordnet und weisen in horizontaler Richtung eine Querschnittfläche auf, die ähnlich zu einem Halbkreis oder einer halben Ellipse geformt ist. Die Luftschaufeln (1) weisen hierdurch ein Hohlprofil auf, das mit seiner offenen Seite einer Anströmrichtung (9) zugewandt ist.
Die Rotationsachse (3) ist im Bereich von Lagern (4) geführt. Durch die Anströmrichtung (9) ergibt sich eine Drehrichtung (5) der Rotationsachse (3). Die Rotationsbewegung wird dadurch hervorgerufen, daß die Luftschaufeln (2) bei einer Einströmung der Luft in das offene Profil der Luftschaufeln (2) einen wesentlich höheren Strömungswiderstand als bei einer Anströmung der gerundeten Rückseite der Luftschaufeln (1) aufweisen.
Die Rotationsachse (3) ist über ein Getriebe (6) mit einem Generator (7) verbunden. Zur Optimierung der Strömungsverhältnisse im Bereich der Luftschaufeln (1) wird ein Diffusor (8) verwendet, der von einem Ständer (11) auf Höhe der Luftschaufeln (1) positioniert ist. Der Diffusor (8) ist über ein Druckluftrohr (10) mit einem Drucklufterzeuger (17) verbunden, der vorzugsweise oberhalb eines Fundamentes (12) des Windkraftkonverters angeordnet ist.
Zur Vergleichmäßigung der Energieerzeugung kann eine Photovoltaikeinheit (13) verwendet werden. Insbesondere kann diese Energie zum Betrieb des Drucklufterzeugers verwendet werden. Über einen Speicher (14) kann Energie gespeichert werden, beispielsweise elektrisch in einer Batterie oder stofflich über die Kombination eines Wasserstoffgenerators und eines Wasserstoffspeichers.
Eine Steuerung der Anlage erfolgt unter Verwendung einer elektronischen Steuereinheit (15).
Unter Verwendung des Drucklufterzeugers (17) ist es insbesondere möglich, bei lediglich geringen Windstärken eine Grundanströmung der Luftschaufeln (1) vorzugeben, so daß der Rotor (11) hierdurch bereits in Bewegung versetzt wird. Hierdurch wird eine Nutzung auch geringer Windgeschwindigkeiten möglich, so daß der Generator (7) in diesem Betriebszustand mehr Energie liefert, als für den Betrieb des Drucklufterzeugers (17) verbraucht wird. Insbesondere ist daran gedacht, den Drucklufterzeuger (17) mit Energie aus dem Speicher (14) zu versorgen. Alternativ ist auch ein Betrieb unter Verwendung der Photovoltaikanlage (13) oder unter Verwendung eines Verbrennungsmotors (16) möglich.
Eine Einkapselung von wesentlichen technischen Komponenten ist unter Verwendung eines Schutzgehäuses (18) möglich. Insbesondere ist daran gedacht, aus dem Rotor (22) mit den Luftschaufeln (1), dem Getriebe (6) und dem Generator (7) ein Konvertermodul (19) auszubilden, das bedarfsabhängig in einer jeweils erforderlichen Anzahl zum Einsatz kommt.
Durch die Verwendung des Ständers (11) ist es möglich, das Konvertermodul (19) oder die Konvertermodule (19) auf einer geeigneten Höhe anzubringen, auf der optimale Anströmungsverhältnisse vorliegen. Der Ständer (11) ermöglicht darüber hinaus eine Befestigung und Abstützung gegenüber einer Aufstellungsfläche. Insbesondere ist daran gedacht, den Ständer (11) aus Ständerelementen auszuführen, die in Abhängigkeit von einer erforderlichen Ständerhöhe modular aneinandergefügt werden können.
Zur Optimierung des Wirkungsgrades weisen die Lager (4) geringe Reibungswiderstände auf. Das Getriebe (6) wird vorzugsweise mit einem hohen Übersetzungsverhältnis ausgebildet, damit ein langsam laufender Rotor (22) mit einem schnellaufenden Generator (7) gekoppelt werden kann.
Die Anordnung der vertikalen Rotationsachse (3) und die Anordnung der Luftschaufeln (1) mit ihren Längsachsen (21) in vertikaler Richtung ermöglicht es, auf eine Nachführung des Rotors (7) entsprechend einer jeweiligen Windrichtung zu verzichten. Aufgrund der Formgebung der Luftschaufeln (1) ist bei beliebigen Anströmrichtungen (9) stets eine optimale Anströmung sichergestellt und eine den Gesamtwirkungsgrad vermindernde Nachstellung ist deshalb entbehrlich.
Die Wirkung des Drucklufterzeugers (17) kann durch einen nachgeschalteten Druckluftverstärker optimiert werden. Der Diffusor (8) wird vorzugsweise mit einem geringen Abstand zu den Luftschaufeln (1) angeordnet und derart ausgerichtet, daß eine im wesentlichen senkrechte Anströmung der Öffnungsfläche der Luftschaufeln (1) gegeben ist.
2 zeigt eine Ausführungsform mit einer Grundkonstruktion ähnlich wie die Ausführungsform in 1, es sind jedoch zwei Konvertermodule (19) in lotrechter Richtung übereinander angeordnet. Die Konvertermodule (19) sind von einer Kopplung (20) miteinander verbunden. Grundsätzlich kann eine nahezu beliebige Anzahl von Konvertermodulen (19) in entsprechender Art und Weise miteinander gekoppelt werden. Der Vorrichtungsaufbau unterhalb der Konvertermodule (19) entspricht im wesentlichen dem Aufbau, wie er in 1 veranschaulicht ist.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie, die mindestens einen von einer Luftströmung antreibbaren Rotor und mindestens einen elektrischen Generator aufweist, der mit dem Rotor gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rotationsachse (3) des Rotors (22) im wesentlichen senkrecht angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich Luftschaufeln (1) des Rotors (22) mit ihren Längsachsen (21) im wesentlichen in senkrechter Richtung erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftschaufeln (1) in einer im we sentlichen horizontalen Querschnittebene eine Querschnittfläche aufweisen, die halbkreisähnlich konturiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftschaufeln (1) in lotrechter Richtung oben und unten mit einer Begrenzungswandung versehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (22) über ein Getriebe (6) mit dem Generator (7) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (22) als Windkraftkonverter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (22) als Teil eines Konvertermoduls (19) zur kontinuierlichen Energieerzeugung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Konvertermodule (19) modular miteinander koppelbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Konvertermodul (19) auf einem Ständer (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zu den Luftschaufeln (1) mindestens ein Diffusor (8) angeordnet ist, der mit einem Drucklufterzeuger (17) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausströmrichtung des Diffusors (8) im wesentlichen senkrecht zu einer Einströmfläche einer Luftschaufel (1) angeordnet ist, die sich in einem Bereich eines konstruktiv vorgegebenen geringsten Abstandes zum Diffusor (8) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucklufterzeuger (17) eine Basisanströmung der Luftschaufeln (1) bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zum Konvertermodul (19) mindestens eine Photovoltaikanlage (13) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Konvertermodul (19) mit einem Speicher (14) für Energie gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucklufterzeuger (17) mit einem Verbrennungsmotor (16) koppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Konvertermodul (19) mit einer elektronischen Steuereinheit (15) gekoppelt ist.