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Die
Erfindung betrifft eine Strömungsenergieanlage, insbesondere
Windkraftanlage, die wenigstens einen um eine Achse rotierenden
Rotor mit Rotorblättern aufweist. Bereits die
DE 810 500 B beschreibt eine
Windturbine mit um eine vertikale Achse drehbaren Flügeln,
welche in einem Leitgehäuse angeordnet ist, das einen sich
leicht verjüngenden Einlasskanal aufweist. In Anströmrichtung
ist mittig ein Abschirmkörper angeordnet, der sich jedoch
strömungstechnisch ungünstig auswirkt.
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In
DE 85 33 964 U1 wird
ein horizontal wirkender Windflügelmotor beschrieben, der
einen Windtrichter aufweist, der die Windflügel teilweise umschließt
und über eine Windfahne in die erforderliche Windrichtung
bringbar ist. Der Windtrichter ist im Querschnitt in einem Viertelkreis
ausgebildet. Einen vertikalen Windrotor mit einer an einem Arm ausgebildeten
Luftansaugfläche beschreibt
DE 198 56 914 A1 und eine Anlage mit einem
geraden plattenförmigen Windteilungsblech wird in
DE 86 31 273.1 vorgestellt.
Alle drei vorgenannten Lösungen sind strömungstechnisch
nachteilig ausgebildet.
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Nach
DE 299 20 899 U1 ist
eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung
bekannt, mit welcher durch eine spezielle Einleitflächenkonstruktion
eine Eintrichterung bzw. ein Sog erzielt werden soll, womit höhere
Durchströmgeschwindigkeiten erzielbar sind. Durch eine
spezielle Konstruktion von zwei Einleitflächen (Diffusorflächen)
soll eine Ausrichtung entsprechend der Anströmungsrichtung
des Windes erzielt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die
erwünschte Nachführung nicht immer zu verzeichnen
war.
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Eine
Windkraftanlage mit frontal angeströmten Vertikalrotoren,
deren Anströmbereich aufwendig mit trichterartigen Einleit-
und Abdeckblechen versehen ist, zeigt
DE 201 02 051 U1 . Insgesamt
drei Vertikalrotoren sind in dieser Windkraftanlage angeordnet.
Insbesondere durch die mittig angeordneten Leitbleche wird der Strömungswiderstand
dieser Anlage erhöht. Mit der in
DE 20 2006 008 289 U1 beschriebenen
Lösung soll eine windrichtungsunabhängige Windkraftanlage
geschaffen werden. Dazu sind sechs große und sechs kleine
Einleitflächen vorgesehen, zwischen denen ein gegen den
Uhrzeigersinn rotierender Rotor mit drei aerodynamisch geformten
Flügeln angeordnet ist.
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Alle
vorgenannten Lösungen weisen den Nachteil auf, dass deren
Wirkungsgrad zu gering ist und dass diese generell nur mit vertikal
ausgerichteten Rotorachsen als Windkraftanlagen einsetzbar sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Strömungsenergieanlage zu schaffen,
bei welcher die Energie, insbesondere die Bewegungsenergie eines strömenden
Mediums mit einem hohen Wirkungsgrad in andere Energieformen überführt
werden kann und welche mit gasförmigen oder flüssigen
Medien betreibbar ist.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Strömungsenergieanlage
weist wenigstens einen um eine Achse rotierenden walzenartigen Rotor
auf, der mehrere Rotorblätter aufweist, wobei
- – einem, mehreren oder allen Rotorblättern
wenigstens ein wirkungsgradverbessernder Luftleitflügel
zugeordnet ist, der in Drehrichtung dem Rotorblatt vorgeschaltet
oder nachgeschaltet ist
und/oder - – der
Rotor zumindest teilweise von wenigstens einem wirkungsgradverbessernden
Diffusorelement umgeben ist,
und wobei die Strömungsenergieanlage
mit flüssigen oder gasförmigen Medien bei beliebiger
Ausrichtung der Achse des Rotors betreibbar ist.
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Durch
diese neuartige innovative Gestaltung der Strömungsenergieanlage
einer neuen Generation ist diese vielfältig einsetzbar.
Insbesondere die Verwendung mit gasförmigen Medien, d.
h. der Einsatz als Windkraftanlage oder die Verwendung in flüssigen
Medien, z. B. als Turbine in Staudämmen oder Flussläufen
oder als Wasserrad mit ein und derselben Bauform eröffnet
neue Möglichkeiten und gewährleistet eine kostengünstige
Serienproduktion.
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Versuche
haben gezeigt, dass insbesondere durch das neuartige „Doppelflügelprinzip"
eine überragende Wirkungsgradverbesserung von ca. 30% zu verzeichnen
ist.
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Bevorzugt
ist jeweils ein Luftleitflügel zum Rotorblatt in einem
Abstand in Drehrichtung angeordnet. Dabei sind der radial außen
liegende Anfang des Rotorblattes und der radial außen liegende
Anfang des Luftleitflügels um einen Winkel zueinander versetzt
angeordnet.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn sich der Abstand des Luftleitflügels
zum Rotorblatt radial nach innen vergrößert.
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Die
Länge des Luftleitflügels kann kleiner sein als
die Länge des Rotorblattes oder auch der Länge
des Rotorblattes entsprechen.
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Das
Rotorblatt und/oder der Luftleitflügel sind im Querschnitt
tragflächenprofilartig (aerodynamisch) ausgebildet.
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Der
walzenartige Rotor weist sich in Achsrichtung der Achse erstreckende
oder sich um dessen Rotationsachse wendelförmig windende
Rotorblätter auf, deren jeweils vordere Fläche
in Windrichtung konkav gekrümmt ist und deren dahinter
liegende Fläche konvex gekrümmt ist. Jeder Rotorflügel weist
eine radial außen liegende Außenkante und eine
radial innen liegende Innenkante auf, die sich im Wesentlichen in
Achsrichtung erstrecken. Auch die Luftleitflügel erstrecken
sich in Achsrichtung der Achse und sind im Wesentlichen der Art
der strömlinienförmigen Gestaltung der Rotorflügel
nachgebildet, nur die radiale Erstreckung der Luftleitflügel
und deren Dicke kann geringer sein als die radiale Erstreckung und
die Dicke der Rotorflügel. Das Diffusorelement ist in einem
definierten Abstand zum Rotor nach dem „Doppeldeckerprinzip"
angeordnet. Das Diffusorelement ist bevorzugt als ein hohler Hüllkörper
ausgebildet oder es besteht aus einem Grundkörper, der von
einem Hüllkörper ummantelt ist. Der Grundkörper
besteht dabei insbesondere aus miteinander verbundenen spantenartigen/plattenartigen
Elementen, die in ihrer umfangsseitig gebildeten Außenkontur der
zu erzeugenden Außenkontur des jeweiligen Diffusorelementes
entsprechen. Die spantenartigen/plattenartigen Elemente bestehen
vorzugsweise aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff,
glasfaserverstärktem Kunststoff, metallischem Werkstoff, Holz
oder Kombinationen der vorgenannten Werkstoffe und sind mittels
Verstrebungen miteinander verbunden. Auch die Verstrebungen können
aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff, glasfaserverstärktem
Kunststoff, metallischem Werkstoff, Holz oder Kombinationen der
vorgenannten Werkstoffe bestehen. Die spantenartigen/plattenartigen
Elemente und/oder die Verstrebungen weisen in Richtung zum Hüllkörper
abgerundete Konturen auf, um Beschädigungen des Hüllkörpers
zu vermeiden, insbesondere wenn dieser aus einem dünnen
Membranmaterial bzw. Folienmaterial, Gewebe oder aus Stoff oder
dünnwandigem Kunststoff besteht. Weiterhin kann der Hüllkörper
aus metallischem Werkstoff (Blech) oder Kombinationen der vorgenannten
Materialien bestehen und einen ein- oder mehrlagigen Aufbau aufweisen.
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Weiterhin
ist es möglich, die im Grundkörper durch den spantenartigen
Aufbau vorhandenen Zwischenräume auszufüllen,
z. B. mit Schaumstoff, Strukturschaum, Hartschaum, granulatartigem
oder flockenartigem Material.
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Weiterhin
ist es möglich, das Diffusorelement massiv auszubilden,
z. B. aus geschäumtem oder gegossenem Material.
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Das
bzw. die Diffusorelement/e sind insbesondere strömlinienförmig
gestaltet und bereichsweise in Richtung zum Rotor so gewölbt,
dass sie dem Verlauf eines, die nach außen weisenden Enden
der Rotorblätter umspannenden, Hüllkreises angepasst sind.
Bevorzugt ist beidseitig zu jedem Rotor an zwei gegenüberliegenden
Längsseiten des Rotors ein Diffusorelement angeordnet,
so dass für jeden Rotor eine Einströmöffnung
und eine Ausströmöffnung gebildet wird, wobei
die Diffusorelemente im Querschnitt tragflächenprofilartig
ausgebildet sind. Die Diffusorelemente erstrecken sich zwischen
einer ersten Abschlussplatte und einer zweiten Abschlussplatte,
wobei die erste Abschlussplatte und/oder die zweite Abschlussplatte
nach außen gewölbt sind. Zwischen der ersten Abschlussplatte
und der zweiten Abschlussplatte ist wenigstens ein Rotor drehbar
gelagert. Es können zwischen der ersten Abschlussplatte
und der zweiten Abschlussplatte auch zwei oder mehr Rotoren in Strömungsrichtung
nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein. Der Rotor
weist wenigstens zwei äußere Rotorplatten auf,
zwischen denen sich die Rotorblätter erstrecken. Zwischen
den zwei äußeren Rotorplatten können eine
oder mehrere dritte, die Rotorblätter stabilisierende,
Rotorplatten angeordnet sein. Die Rotorplatten sind bevorzugt kreisförmig
ausgebildet.
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Der
Rotor weist umfangsseitig mehrere nebeneinander angeordnete Rotorblätter
auf. Weiterhin können auch in „doppelstöckiger"
oder „mehrstöckiger" Bauform Rotorblätter übereinander
bzw. nebeneinander (je nach Ausrichtung der Rotationsachse) kombiniert
sein. Diese übereinander/nebeneinander angeordneten Rotorblätter
des Rotors können zueinander fluchten oder in Umfangsrichtung
zueinander versetzt angeordnet sein.
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Die
Außenkontur des Hüllkörpers des Diffusorelementes
oder die Außenkontur des massiven Diffusorelementes weist
in Anströmrichtung des Windes Kanten auf, welche eine Einströmöffnung
und in Abströmrichtung Kanten, welche eine Ausströmöffnung
bilden.
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Ausgehend
von der Anströmrichtung des Windes verjüngt sich
der Abstand zwischen den aufeinander zuweisenden Flächen
des Hüllkörpers des/der Diffusorelemente, ist
anschließend dem Verlauf/Durchmesser des Rotors angepasst
und erweitert sich nach dem Rotor wieder. Die nach außen
weisenden Flächen des Hüllkörpers der
Diffusorelemente sind bevorzugt spiegelbildlich zueinander ausgebildet.
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Die
von der Kante zum Rotor verlaufende Fläche des Hüllkörpers
des Diffusorelementes weist bevorzugt eine konkav-konvexe Krümmung
auf.
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Die
konvexe Krümmung eines Rotorblattes und die konvexe Krümmung
eines Luftleitflügels weisen insbesondere in Drehrichtung.
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Die
mit der Strömungsenergieanlage bereit gestellte Energie
ist über einen Generator zur Stromerzeugung nutzbar bzw.
kann auch direkt zum Aufladen einer Batterie verwendet werden. Weiterhin
ist es möglich, deren Rotation zur Erzeugung von Warmwasser
einzusetzen.
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Die
Strömungsenergieanlage ist bevorzugt so konzipiert, dass
sie in jede beliebige Richtung schwenkbar ist. Dadurch ist diese
mit einer vertikal oder horizontal ausgerichteten ersten Achse des
Rotors sowohl als Windkraftanlage als auch als Turbine in flüssigen
Medien (Flussläufen, Staudämmen) einsetzbar.
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Bei
Verwendung in strömenden Medien, insbesondere Flüssen
oder Kanälen kann eine Strömungsenergieanlage
mit einer vertikalen Achse (A1) im Grundbereich des Wasserlaufes
befestigt werden, so dass diese unabhängig vom Wasserstand
arbeitet, da auch bei einem geringen Pegelstand noch ein Teil der
Anlage durchströmt wird.
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Ist
die Achse der Strömungsenergieanlage horizontal gelagert,
so ist es möglich, diese „schwimmend" im Wasserlauf
zu verankern, so dass sich diese mit dem Pegel hebt oder senkt und
somit ebenfalls unabhängig vom Pegelstand betreibbar ist.
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Wird
die Strömungsenergieanlage als Windkraftanlage verwendet,
so ist eine Verstellbarkeit des Diffusors entsprechend der Windrichtung
vorteilhaft, so dass die Anströmöffnung immer
in Windrichtung zeigt bzw. ausgerichtet wird.
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Dies
kann z. B. mittels einer fahnenartigen Anordnung auf der Windkraftanlage
realisiert werden. Dies ist eine einfache und störungsfreie
Möglichkeit der selbsttätigen Ausrichtung des
Diffusorgehäuses.
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Die
Windkraftanlage weist wenigstens einen um eine erste vertikale Achse
rotierenden Rotor mit mehreren Rotorblättern auf, wobei
erfindungsgemäß jedem Rotorblatt wenigstens ein
Luftleitflügel zugeordnet ist, der in Drehrichtung dem
Rotorblatt vorgeschaltet ist.
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Der
Länge des Rotors entsprechend erstrecken sich ein- oder
beidseitig zu diesem die Diffusorelemente. Bei Verwendung von zwei
Diffusorelementen wird durch diese in Anströmrichtung des
Windes vor dem Rotor eine Einstromöffnung und hinter dem Rotor
eine Ausströmöffnung gebildet. In Anströmrichtung
des Windes verjüngt sich dabei die Einströmöffnung
auf eine Breite, die ca. 50% des Durchmessers des Rotors entspricht.
Die Ausströmöffnung verbreitert sich demgegenüber
nach dem Rotor auf ca. das Doppelte des Durchmessers des Rotors.
Die Diffusorelemente sind auf der Grundplatte befestigt, auf welcher
ebenfalls der Rotor drehbar gelagert ist. Die Abschlussplatte ist
bei vertikaler Achsrichtung z. B. auf einem Mast um eine zweite
Achse schwenkbar gelagert. Da die Diffusorelemente mit der Grundplatte verbunden
sind und der Rotor zwischen Grund- und Deckplatte angeordnet ist,
vollführen diese gemeinsam die Schwenkbewegung um die vertikale
zweite Achse. Die Achsen der Grundplatte und des Rotors fluchten
oder sind voneinander beabstandet, wodurch eine bessere Nachführung
der Anlage in Abhängigkeit von der Windrichtung gewährleistet
wird.
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Es
ist möglich, ein oder zwei Diffusorelemente zu verwenden.
Bevorzugt ist das eine Diffusorelement radial nach außen
so gewölbt, dass es dem Verlauf eines, die nach außen
weisenden Enden der Rotorblätter umspannenden, Hüllkreises
angepasst ist. Der innere Krümmungsradius des Diffusorelements
wird dabei entsprechend des gewünschten Abstandes von den
Rotorblättern gewählt. Die Länge des
Diffusorelements sollte in etwa dem Abstand der nach außen
weisenden Kanten zweier Rotorblätter entsprechen. Die Schwenkbewegung
des Diffusorelementes kann, wie vorgenannt bereits beschrieben, z.
B. in Abhängigkeit von einer, durch den Wind drehbaren,
Windfahne gesteuert werden. Es ist jedoch auch möglich,
dass sich das Diffusorelement bei einer zur Rotorachse beabstandeten
Schwenkachse selbst entsprechend der Windrichtung nachstellt. Die Höhe
des Diffusorelementes sollte in etwa der Höhe des Rotors
entsprechen.
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Es
ist weiterhin möglich, die erfindungsgemäße
Strömungsenergieanlage in Land-, Luft- und Wasserfahrzeugen
je nach Einsatzgebiet in Verbindung mit entsprechenden Abtrieben
und Umsetzern zur Energieerzeugung aus dem Wind bzw. Fahrtwind und/oder
aus strömenden flüssigen Medien einzusetzen.
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Z.
B. kann diese in PKWs oder LKWs in die Frontseite im Bereich des
Kühlergrills eingebaut werden. Dies erfolgt bevorzugt mit
einer horizontal ausgerichteten Rotationsachse des Rotors. Die Windkraftanlage
kann dann z. B. in Verbindung mit einem Generator zum Aufladen einer
Batterie genutzt werden, die wiederum zum Antreiben des Fahrzeuges verwendet
wird.
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Die
Strömungsenergieanlage ist jedoch auch in Kombination mit
hydraulischen und/oder pneumatischen und/oder anderen elektrischen
Systemen oder in Kombination mit einem Verbrennungsmotor in der
Art eines Hybriden Systems betreibbar. Weiterhin ist es möglich,
diese in der Raumfahrt einzusetzen.
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Durch
die Anordnung von ein oder zwei der Diffusorelementen in relativ
geringem Abstand von den Rotorblättern und die trichterförmige
Erweiterung in und entgegen der Windrichtung, über die
Diffusorelemente tangential angeströmt wird, in Verbindung mit
der Verwendung der Luftleitflügel, ist eine überraschend
starke Sogwirkung und ein Unterdruck in Abströmrichtung
des Windes zu verzeichnen, die eine große Steigerung der
Durchströmgeschwindigkeit und damit der Drehzahl des Rotors
zur Folge hat. Dadurch kann die Leistung der Windkraftanlage um
ca. 30% gesteigert werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Dreidimensionale Ansicht einer Windkraftanlage aus der Anströmrichtung
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2:
Dreidimensionale Einzeldarstellung des Rotors
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3:
Seitenansicht des Rotors,
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4:
Schnitt A-A gem. 3,
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5:
Seitenansicht eines Rotors mit einem Hydromotor (oben), vergrößerte
Darstellung des Hydromotors (unten links) und vergrößerte
Vorderansicht.
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6:
Dreidimensionale Darstellung eines Rotors mit übereinander
angeordneten und zueinander versetzten Rotorflügeln,
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7:
Draufsicht gem. 6 mit Diffusorelementen,
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8:
Darstellung eines ersten spanienartigen/plattenartigen Elementes
für das erste Diffusorelement,
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9:
Darstellung des ersten Grundkörpers des ersten Diffusorelementes,
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10:
erster Diffusor,
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11:
Darstellung eines zweiten spantenartigen/plattenartigen Elementes
für den zweiten Diffusor,
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12:
Darstellung des zweiten Grundkörpers des zweiten Diffusors,
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13:
zweiter Diffusor,
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14:
Prinzipdarstellung der Kopplung von ersten Diffusor und zweiten
Diffusor,
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15:
Draufsicht einer Windkraftanlage mit Windfahne,
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16:
dreidimensionale Ansicht aus der Anströmdichtung gem. 15,
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17:
Verwendung einer vertikalen Strömungsenergieanlage zur
Energieversorgung eines Wohnhauses,
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18:
Verwendung einer vertikalen Strömungsenergieanlage zur
Stromerzeugung bzw.
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zum
Aufladen einer Batterie auf einem Schiff,
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19:
Verwendung von zwei horizontalen Strömungsenergieanlagen
auf einem Dach zur Energieversorgung eines Wohnhauses,
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20:
Verwendung einer vertikalen Strömungsenergieanlage zur
Stromerzeugung in der Seitenansicht in einem Flusslauf oder Kanal,
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21:
Vorderansicht gem. 20,
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22:
Verwendung einer „schwimmenden" horizontalen Strömungsenergieanlage
zur Stromerzeugung in der Vorderansicht in einem Flusslauf oder Kanal,
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23:
Darstellung einer in einen PKW integrierten Strömungsenergieanlage.
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In 1 ist
die dreidimensionale Ansicht einer Strömungsenergieanlage
beim Einsatz als Windkraftanlage mit einem um eine erste vertikale
Achse A1 drehbaren walzenartigen Rotor 1 (s. 2 bis 4)
aus der Anströmrichtung dargestellt. Der Rotor 1 weist
drei sich vertikal erstreckende Rotorblätter 2 auf,
wobei jedem Rotorblatt 2 ein Luftleitflügel 3 in Drehrichtung
vorgeschaltet ist. Der Rotor 1 wird von einer hier unten
abschließenden ersten Rotorplatte 4 und einer
oben abschließenden zweiten Rotorplatte 5 begrenzt.
Zwischen diesen äußeren Rotorplatten 4, 5 wird
der Rotor 1 durch zwei (s. 1) oder
durch nur eine (s. 2) stabilisierende Rotorplatte 6 stabilisiert.
Die Rotorblätter 2 und die Luftleitflügel 3 können
einteilig ausgebildet sein, d. h. von Anfang bis Ende durchgängig
und die stabilisierenden Rotorplatten durchdringen, oder mehrteilig
ausgebildet sein.
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Die
Luftleitflügel 3 sind von den Rotorblättern 2 beabstandet,
wobei aus der Draufsicht gem. 4 deutlich
wird, dass ausgehend von der ersten Achse A1 der Anfang der radial
außen liegende Anfang der Rotorblätter 2 in
einen Winkel α im Vergleich zu dem radial außen
liegenden Anfang der Luftleitflügel 3 versetzt
ist. Zwischen dem radial außen liegenden Anfang der Rotorblätter 2 und
den radial innen liegenden Ende der Luftleitflügel 3 wird
ein Winkel β gebildet. Durch den Luftleitflügel 3 wird
bewirkt, dass der Luftstrom des Rotorblattes 2 länger
aufrechterhalten wird, wodurch der Wirkungsgrad der Anlage erheblich
gesteigert werden kann. Der aus Rotorblatt 2 und Luftleitelement 3 gebildete „Doppelflügel"
bewirkt somit eine wesentliche Leistungssteigerung der Anlage. Die
Krümmungsrichtung von Rotorblatt 2 und Luftleitelement 3 ist
dabei bevorzugt gleichsinnig ausgebildet.
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Der
Rotor 1 wird von einem Korpus (s. 1) 7 teilweise
ummantelt, der schwenkbar auf einem Mast M sitzt. Der Korpus 7 besteht
aus einer aus einer oberen ersten Abschlussplatte 8.1 und
einer unteren zweiten Abschlussplatte 8.2. Zwischen den Abschlussplatten 8.1, 8.2 erstrecken
sich beidseitig zum Rotor 1 ein erstes Diffusorelement 9 und
ein zweites Diffusorelement 10. Der Rotor 1 wird
durch das erste Diffusorelement 9 in Anströmrichtung
bis zu ca. 50% seines Durchmessers verdeckt, so dass der Rotor 1 auf
nur ca. 50% seiner Breite angeströmt wird. In Anströmrichtung
des Windes W wird zwischen den beiden Diffusorelementen 9, 10 vor
dem Rotor 1 eine Einströmöffnung E und
dazu entgegengesetzt hinter dem Rotor 1 eine Ausströmöffnung
A gebildet. Die senkrechten Außenflächen 9.a und 10.a des
ersten und zweiten Diffusorelementes 9, 10 sind zueinander
spiegelbildlich ausgebildet und sind zwischen der Einströmöffnung
E und der Ausströmöffnung A zuerst in einem großen
Krümmungsbogen konvex und dann in einem kleineren Krümmungsbogen
konkav gekrümmt.
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Von
der oberen Abschlussplatte 8.1 und von der unteren Abschlussplatte 8.2 erstrecken
sich zum ersten und zum zweiten Diffusorelement 9. 10 Leitbleche
L mit einer Abschrägung von ca. 45°, durch welche
Turbulenzen vermieden bzw. verringert werden.
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5 zeigt
den Rotor 1, wobei erkenntlich ist, dass unter der ersten
Rotorplatte 4 ein Antrieb 11 sitzt, der den Rotor
beschleunigt und am Außendurchmesser des Mastes gestellfest
befestigt ist. Dies kann z. B. bei geringen Windgeschwindigkeiten zum
Erleichtern des Anfahrens des Rotors genutzt werden.
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Die
dreidimensionale Darstellung eines Rotors 1 mit übereinander
angeordneten und zueinander versetzten Rotorblättern 2 (ohne
die Verwendung von Luftleitflügeln) wird in 6 gezeigt.
Die zwischen der ersten Rotorplatte 4 und der dritten Rotorplatte 6 angeordneten
Rotorblätter 2 sind zu den zwischen der zweiten
Rotorplatte 5 und der dritten Rotorplatte 6 angeordneten
Rotorflügeln versetzt angeordnet, so dass jeweils ein oberes
Rotorblatt 2 im Wesentlichen mittig in der Draufsicht (s. 7)
zwischen zwei unteren Rotorblättern 2 liegt. In 7 ist die
Draufsicht des Rotors 1 gem. 6 schematisch dargestellt,
wobei der Rotor 1 hier von dem ersten und dem zweiten Diffusorelement 9, 10 teilweise
ummantelt wird. Die obere Abschlussplatte wurde hier nicht dargestellt.
Aus dieser Darstellung gem. 7 sind nochmals
die in Anströmrichtung des Windes W ausgerichtete Einströmöffnung
E und die Ausströmöffnung A ersichtlich. Das erste
Diffusorelement 9 verdeckt hier den Rotor 1 in
Anströmrichtung zu etwa 50%, wobei auch eine geringere Überdeckung
vorgesehen werden kann. Es ist weiterhin am ersten Diffusorelement 9 seitlich
zur Einströmöffnung eine abgerundete Kante 9.1 und
am zweiten Diffusorelement 10 eine abgerundete Kante 10.1 vorgesehen.
Die beiden Kanten 9.1, 10.1 überragen
den Außendurchmesser des Rotors 1 in Anströmrichtung
radial nach außen. Der Abstand b1 der beiden Kanten 9.1, 10.1 entspricht
in etwa dem Rotordurchmesser D oder ist etwas größer
als der Rotordurchmesser D. Das erste Diffusorelement 9 weist
in Ausströmrichtung A eine weitere abgerundete Kante 9.2 auf.
In nur geringem Abstand zum Rotor 1 ist eine dritte abgerundete
Kante 9.3 am ersten Diffusorelement 9 vorgesehen,
die hier etwa 50% des Rotors 1 überdeckt. Das
zweite Diffusorelement 10 weist ebenfalls in Richtung zur Ausströmöffnung
eine abgerundete Kante 10.2 auf.
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Zwischen
der ersten Kante 9.1 und der zweiten Kante 9.2 erstrecken
sich die senkrechten Außenflächen 9a des
ersten Diffusorelementes 9, zwischen der zweiten Kante 9.2 und
der dritten Kante 9.3 eine Diffusorfläche 9b und
zwischen der ersten Kante 9.1 und der dritten Kante 9.3 eine
Diffusorfläche 9c. Die Diffusorfläche 9b verläuft
von der Kante 9.2 zuerst in einem konvexen Bogen, an den
sich, dem Verlauf des Rotors 1 folgend, eine konkave Krümmung
bis zur Kante 9.3 anschließt. Die Diffusorfläche 9c weist
von der Kante 9.1 bis zur Kante 9.3 zuerst eine
konkave und dann eine konvexe Krümmung auf. Das zweite
Diffusorelement 10 weist in Richtung zum Windaustritt die
Kante 10.2 auf. Zwischen der Kante 10.1 und der
Kante 10.2 weist das zweite Diffusorelement 10 nach
außen eine senkrechte Außenfläche 10a und
in Richtung zum Rotor 1 eine Diffusorfläche 10b auf.
Der Verlauf der Diffusorfläche 10a ist spiegelbildlich
zur Fläche 9a gestaltet. Die Fläche 10b verläuft
bis zum Rotor 1 in einer konvexen Krümmung, an
die eine konkave Krümmung anschließt, von der
aus die Fläche 10b in konvex gekrümmtem
Bogen bis zur Kante 10.2 verläuft. In etwa von
der Mittellinie des Rotors 1 aus gesehen in Richtung zur
Ausströmöffnung A weisen die Flächen 9b und 10b spiegelbildlich
in etwa den gleichen Verlauf auf. Der die Einströmöffnung
E begrenzende Abstand b2 zwischen der Kante 9.3 und der
Fläche 10b beträgt minimal etwa 0,5 × D.
Der die Ausströmöffnung A bildende Abstand b3
der Kanten 9.2 und 10.2 beträgt bevorzugt
in etwa 1D bis 2D.
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Die
Rotorblätter 2 sind gem. 1 bis 7 im
Querschnitt tragflächenförmig ausgebildet und
erstrecken sich vom Außenumfang in einer gewölbten oder
gebogenen Form radial nach innen. Die konvex gekrümmte
Fläche der Rotorblätter 2 weist in Drehrichtung,
die konkav gekrümmte Fläche der Rotorblätter 2 wird
angeströmt.
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Die
inneren Längskanten der Rotorblätter 2 weisen
zur konkaven Fläche des nächsten Rotorblattes 2.
Wenn vorhanden, sind die Luftleitflügel 3 analog
zum Rotorblatt gekrümmt und ausgerichtet.
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Die
Darstellung eines ersten spantenartigen/plattenartigen Elementes 9S für
das erste Diffusorelement 9, zeigt 8. Das erste
Element 9S weist zwei Durchbrüche 9D auf,
die zu dessen Befestigung dienen. Die äußere Kontur
des ersten Elementes 9S entspricht der herzustellenden
Umfangskontur des ersten Diffusorelementes z. B. gem. 1 oder 7.
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In 9 ist
der erste Grundkörper 9G des ersten Diffusorelementes 9 dargestellt.
Mehrere spantenartige/plattenartige Elemente 9S wurden
an Streben 13, die durch die Durchbrüche 9D ragen,
im Abstand durch Verwendung geeigneter Befestigungsmittel (nicht
dargestellt) befestigt. Dieser Grundkörper 9G wird
anschließend mit dem Hüllkörper 9H ummantelt
und so das erste Diffusorelement 9 gebildet.
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Analog
ist das zweite Diffusorelement aufgebaut. Das zweite spantenartige/plattenartige
Elemente 10S für das zweite Diffusorelement 10 ist
in 11 dargestellt. Es weist ebenfalls zwei Durchbrüche 10D auf,
die zu dessen Befestigung dienen. Die äußere Kontur
des zweiten Elementes 10S entspricht der herzustellenden
Umfangskontur des zweiten Diffusorelementes 10 z. B. ebenfalls
gem. 1 oder 7.
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Gem. 12 wurde
der zweite Grundkörper 10G des zweiten Diffusorelementes 10 aus
mehreren spantenartigen/plattenartigen zweiten Elementen 10S mittels
Streben 13 hergestellt, die durch die Durchbrüche 10D ragen.
Auch der Grundkörper 10G wird anschließend
mit einem Hüllkörper 10H ummantelt und
somit das zweite Diffusorelement 10 erzeugt.
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Nun
werden beide Diffusorelemente 9, 10 gem. 14 mittels
Querstreben 14, die an die oberen und unteren Enden der
Streben 13 anbinden, mittels nicht dargestellter Befestigungselemente
untereinander befestigt. Dabei kreuzen die inneren Querstreben 14 in
etwa die zweite Achse A2, um welchen die Diffusorelemente 9, 10 schwenkbar
sein sollen und tragen die Lagerung der Diffusorelemente. Das entsprechende
Lager 15 sitzt oben an einer Achse 16, die hier über
eine Grundplatte 17, z. B. an einem Mast (hier nicht dargestellt),
befestigbar ist.
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In 15 und 16 wird
eine einfache Möglichkeit der Nachstellung des Korpusses 7 entsprechend
der Windrichtung gezeigt. Dabei sitzt auf dem Korpus 7 eine
Windfahne 18, die den Korpus 7 radial auf der
Seite der Ausströmöffnung A überragt.
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17 zeigt
eine vertikale Strömungsenergieanlage S als Windkraftanlage,
mit einem auf einem Mast M angeordneten Korpus 7, die z.
B. neben einem Einfamilienhaus 19 angeordnet ist und diese mit
Strom und Warmwasser versorgen kann.
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In 18 ist
ebenfalls eine vertikale Windkraftanlage W auf einem Schiff 20 dargestellt,
mit welcher z. B. Batterien wieder aufladbar sind.
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Gemäß 19 ist
es auch möglich, ein oder mehrere horizontale Strömungsenergieanlage/n
S auf einem Dach 21 anzuordnen. Der Korpus 7 ist dann
z. B. an seinen beiden Abschlussplatten 8.1, 8.1 aufgenommen
(linke Windkraftanlage) oder wird an dem zum Dach 21 weisenden
Diffusorelement (hier 10) drehbar gelagert, so dass sich
dieser entsprechend der Windrichtung ausrichten kann (rechte Windkraftanlage).
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20 zeigt
die Seitenansicht einer vertikalen Strömungsenergieanlage
S für strömende Medien 22 zur Stromerzeugung
in der Seitenansicht in einem Kanal 23 und 21 zeigt
die Vorderansicht.
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Die
Strömungsenergieanlage S wurde auf dem Grund des Kanals 23 verankert.
Auch wenn der Wasserpegel fällt, wird diese immer noch
angetrieben.
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Die
Verwendung einer „schwimmenden" horizontalen Strömungsenergieanlage
S zur Stromerzeugung in der Vorderansicht in Kanal 23 ist
in 22 schematisch dargestellt. Die Strömungsenergieanlage
S passt sich durch deren schwimmende Befestigung ebenfalls dem Pegel
des strömenden Mediums 22 an.
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Beim
Einsatz der Strömungsenergieanlage S in Flüssen
oder Kanälen wird der Lebensraum der Fische nicht beeinträchtigt,
da sich die Anlage entsprechend der Strömung des Wassers
dreht und durch diese keine Scherwirkung erzeugt wird. Die Fische
können durch die Anlage hindurch oder auch an der Anlage
vorbei schwimmen.
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Die
Darstellung einer in einen PKW 24 integrierten Strömungsenergieanlage
S wird in 23 angedeutet. Die als Windturbine
mit horizontaler Rotorachse A1 ausgeführte Strömungsenergieanlage
S ist in den Kühlergrill 24 des Fahrzeuges integriert. Durch
eine schlanke Gestaltung der Windturbine W ist diese optimal darin
integrierbar. An einer oder beiden Seiten des Rotors 1 sind
z. B. Generatoren (nicht dargestellt) anschließbar.
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In
allen vorgenannten Beispielen gem. 17 bis 23 wird
die mit der Strömungsenergieanlage S erzeugte Energie in
andere Energieformen bedarfsweise unter Verwendung geeigneter Getriebe
(z. B. Zahnradgetriebe, Zahnriemengetriebe), Kupplungen, z. B. zum
Ausgleich von Relativbewegungen zwischen einer Antriebswelle (hier
Welle des Rotors) und einer Abtriebswelle (z. B. Welle eines Generators)
und entsprechender Wandler umgewandelt.
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Mit
Hilfe des Getriebes wird z. B. die Leistung des Rotors der Strömungsenergieanlage
in Form einer geringen Drehzahl und einem hohen Drehmoment in eine
Leistung, die man für einen Generator benötigt,
d. h. eine hohe Drehzahl und ein geringeres Drehmoment gewandelt.
Die durch die Rotation des Rotors bereitgestellte Leistung wird
durch das in den Ausführungsbeispielen nicht dargestellte
Getriebe an die entsprechenden abnehmenden Aggregate (Generator,
Pumpe usw.) weitergeleitet.
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Weiterhin
ist es gemäß nicht dargestellter Ausführungsbeispiele
möglich, durch die Strömungsenergieanlage eine
Pumpe anzutreiben.
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Die
Strömungsenergieanlage ist beliebig schwenkbar und kann
mit horizontal oder vertikal ausgerichteten Rotorachsen arbeiten.
Es ist auch möglich, die Strömungsenergieanlage
(sinnbildlich innerhalb eines gedachten kugelförmigen Körpers)
in jede beliebige Position zu schwenken.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist somit für vielfältige
Anwendungsgebiete einsetzbar. Durch die Beschleunigung der Windgeschwindigkeit
im Strömungskörper (Diffusorelemente) insbesondere
in Kombination mit den Luftleitelementen kann die Energieausbeute
im Vergleich zu herkömmlichen Strömungsenergieanlagen
um mehr als das 5-fache gesteigert werden.
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Herkömmliche,
insbesondere dreiflüglige horizontale Windkraftanlagen,
können unzumutbare akustische und visuelle Effekte erzeugen.
Der Geräuschpegel liegt oft über 35 dB, was insbesondere nachts
als störend empfunden wird. Weiterhin kann der Wechsel
zwischen Licht und Schatten und insbesondere bei Sonnenschein der
"Disco-Effekt", wenn Licht unregelmäßig von den
blanken Flächen der Rotorflügel reflektiert wird,
auf Dauer unerträglich werden. Diese Nachteile treten mit
der erfindungsgemäßen Windkraftanlage nicht auf,
denn diese arbeitet mit einem sehr geringen Geräuschpegel,
der nahezu bei Null liegt, bzw. lediglich dem natürlichen
Windgeräusch entspricht.
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Durch
die Verwendung des Diffusors bzw. der Diffusorelemente tritt ein
störender Licht-Schatten-Wechsel nicht auf. Dadurch ist
es möglich, die Windkraftanlagen auch in der Nähe
von Anwohnungen aufzustellen.
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Die
großen Außenflächen 9a, 10a der
Diffusorelemente 9, 10 können als Werbeträger
genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 810500
B [0001]
- - DE 8533964 U1 [0002]
- - DE 19856914 A1 [0002]
- - DE 8631273 [0002]
- - DE 29920899 U1 [0003]
- - DE 20102051 U1 [0004]
- - DE 202006008289 U1 [0004]