DE102009028822A1

DE102009028822A1 - Windturbinenanordnung

Info

Publication number: DE102009028822A1
Application number: DE102009028822A
Authority: DE
Inventors: Valentin Biermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windturbinenanordnung mit vier um eine im Wesentlichen vertikale Achse rotierbaren Vertikalrotoren und einer die Vertikalrotoren abschnittsweise umgebenden Strömungsleiteinrichtung. Dabei sind zwei erste Vertikalrotoren bezüglich einer durch eine Windrichtung gegebenen Hauptstromrichtung stromaufwärts zweier zweiter Vertikalrotoren angeordnet. Erste Achsen der ersten Vertikalrotoren und zweite Achsen der zweiten Vertikalrotoren sind bezüglich der Hauptstromrichtung versetzt zueinander angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung ist so ausgestaltet, dass eine von den ersten Vertikalrotoren abströmende Nebenströmung auf die stromabwärts nachgeordneten zweiten Vertikalrotoren gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windturbinenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Windturbinenanordnung ist aus der DE 88 09 111 U1 bekannt. Bei der bekannten Windturbinenanordnung sind mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Vertikalrotoren an zwei schwenkbaren Trägern vorgesehen. Ferner sind um eine Achse verschwenkbare Strömungsleiteinrichtungen vorgesehen. Durch Verschwenken der Träger und/oder der Strömungsleiteinrichtungen kann ein durch eine Hauptströmung anströmbarer Beaufschlagungsbereich der Windturbinen an die Windverhältnisse angepasst werden. Bei der bekannten Windturbinenanordnung ist die Ausbeute einer dem Wind innewohnenden Energie nicht besonders hoch.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Windturbinenanordnung angegeben werden, mit welcher die einer Windströmung innewohnende Energie besser ausgebeutet werden kann. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll außerdem eine Windkraftanlage mit verbesserter Energieausbeute bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 18 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 17 und 19 bis 21.
Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsleiteinrichtung so ausgestaltet ist, dass eine von den ersten Vertikalrotoren abströmende Nebenströmung auf die stromabwärts nachgeordneten zweiten Vertikalrotoren gerichtet ist. Wegen der Nutzung der von den ersten Vertikalrotoren abströmenden Nebenströmung zum Antrieb der zweiten Vertikalrotoren, kann eine der Windströmung innewohnende Energie in besonders hohem Maße ausgebeutet werden. Die vorgeschlagene Windturbinenanordnung ist besonders effizient.
Zweckmäßigerweise ist die Strömungsleiteinrichtung ferner so ausgebildet, dass die zweiten Vertikalrotoren zusätzlich mit einem in der Hauptstromrichtung strömenden Hauptstrom beaufschlagt werden. Dadurch kann die Energieausbeute der Windturbinenanordnung weiter verbessert werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Strömungsleiteinrichtung so ausgebildet, dass eine Richtung der Nebenströmung im Beaufschlagungsbereich der zweiten Vertikalrotoren mit der Hauptstromrichtung einen Winkel von 20 bis 120°, vorzugsweise von 45 bis 100° bildet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die Achsen der zweiten Vertikalrotoren weiter voneinander beabstandet als die Achsen der ersten Vertikalrotoren. Dabei kann eine Lage der Achsen der Vertikalrotoren den Eckpunkten eines gleichschenkligen Trapezes entsprechen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung erstrecken sich von einer Nabe der ersten und/oder zweiten Vertikalrotoren radial Turbinenschaufelblätter. Der Vertikalrotor wird durch eine gedachte im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche und gedachte im Wesentlichen senkrecht zur Achse verlaufende Axialflächen umhüllt. Ein auf die Mantelfläche gerichteter radialer Anströmbereich ist teilweise mit der Strömungsleiteinrichtung abgedeckt. Zumindest eine der Axialflächen ist mit der Strömungsleiteinrichtung lediglich teilweise abgedeckt, so dass eine erste axiale Einströmöffnung gebildet ist, durch welche die Turbinenschaufeln durch eine schräg auf die Axialfläche gerichtete Strömung anströmbar sind. Durch das Vorsehen einer ersten axialen Einströmöffnung können die ersten und/oder zweiten Vertikalrotoren zusätzlich mit Strömungen angeströmt werden, welche axiale Richtungskomponenten aufweisen. Die zum Antreiben der ersten und/oder zweiten Vertikalrotoren nutzbare Anströmfläche wird vergrößert. Damit wird die Energieausbeute erhöht. Eine Windturbinenanordnung mit solchen Vertikalrotoren kann besonders effizient betrieben werden. Sie eignet sich auch zum Einsatz in Schwachwindgebieten.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Strömungsleiteinrichtung erste Strömungsleitmittel auf, welche die Einströmöffnung in axialer Richtung überlappen und zumindest abschnittsweise schräg zur Axialfläche gerichtet sind, so dass sich ein durch die ersten Strömungsleitmittel gebildeter Einströmquerschnitt in Strömungsrichtung verkleinert. Durch die ersten Strömungsleitmittel können radiale Strömungen und auch Strömungen mit axialen Komponenten durch die erste axiale Einströmöffnung der Vertikalrotoren geleitet werden. Dadurch wird die Effizienz der Windturbinenanordnung weiter verbessert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung biegen die ersten Strömungsleitmittel stromabwärts in eine im Wesentlichen parallel zur Axialfläche gerichtete Richtung um. Eine dadurch erzeugte Düsenwirkung trägt zur weiteren Verbesserung der Effizienz der Windturbinenanordnung bei.
Zweckmäßigerweise deckt die Strömungsleiteinrichtung jede der Axialflächen teilweise ab, so dass in jeder Axialfläche jeweils eine axiale Einströmöffnung gebildet ist, durch welche die Turbinenschaufeln durch eine schräg auf die jeweilige Axialfläche gerichtete Strömung anströmbar sind. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine Anströmung beider Axialflächen der Vertikalrotoren. Die zum Antreiben der Vertikalrotoren nutzbare Anströmfläche kann damit weiter vergrößert werden. Eine der Strömung innewohnende Energie kann damit besser zum Antrieb der ersten und/oder zweiten Vertikalrotoren ausgenutzt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Strömungsleiteinrichtung zumindest abschnittsweise schräg auf die Mantelfläche gerichtete zweite Strömungsleitmittel auf. Durch die zweiten Strömungsleitmittel kann eine Windströmung in radialer Richtung auf die Turbinenschaufelblätter der Vertikalrotoren umgelenkt werden. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine weitere Effizienzsteigerung.
Nach einer weiteren Ausgestaltung biegen die zweiten Strömungsleitmittel stromabwärts in eine im Wesentlichen tangential zur Mantelfläche gerichtete Richtung um. Dadurch wird wiederum eine vorteilhafte Düsenwirkung erreicht.
Zweckmäßigerweise bilden die ersten Strömungsleitmittel und die zweiten Strömungsleitmittel einen in Strömungsrichtung sich verjüngenden Anströmtrichter bzw. ein trichterartiges Gebilde. Durch den Anströmtrichter wird die Strömung auf die Turbinenschaufelblätter der Vertikalrotoren geleitet und beschleunigt.
Zwischen den ersten Strömungsleitmitteln und der Axialfläche kann ein Spalt mit einer Breite von 2 bis 20 cm vorgesehen sein.
Zumindest einer der Vertikalrotoren kann zumindest einen im Wesentlichen senkrecht zur Achse verlaufenden Rotorboden aufweisen. Es können auch mehrere Rotorböden vorgesehen sein. Durch das Vorsehen eines oder mehrerer Rotorböden erhöht sich die mechanische Stabilität des Vertikalrotors.
Nach einer Ausgestaltung können sich erste Turbinenschaufeln in axialer Richtung von einer Oberseite des Rotorbodens erstrecken. Von einer Unterseite des Rotorbodens können sich zweite Turbinenschaufeln in axialer Richtung erstrecken. Ein Vertikalrotor mit Turbinenschaufeln in beiden Axialrichtungen kann auf beiden Axialflächen angeströmt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an zumindest einer der Radialkanten der Turbinenschaufeln eine Ausnehmung vorgesehen. Bei dieser Ausgestaltung ist eine durch die Rotation der Radialkante der Turbinenschaufeln definierte Axialfläche keine ebene Fläche. Die Axialfläche wird hier durch Rotation der die Ausnehmungen aufweisenden Radialkanten der Turbinenschaufeln definiert. Durch das Vorsehen der Ausnehmungen kann die Anströmung auf die zumindest eine axiale Einströmöffnung weiter verbessert werden.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist eine Windkraftanlage vorgesehen, wobei eine erfindungsgemäße Windturbinenanordnung an einem Mast angebracht ist. Eine solche Windkraftanlage ist besonders effizient.
Zweckmäßigerweise ist die Windturbinenanordnung bezüglich einer weiteren Achse des Masts mittels einer Schwenkeinrichtung um eine horizontale Achse schwenkbar. Die Windturbinenanordnung kann damit auf die Richtung der Windströmung eingestellt werden. Die Windströmung kann dann die zumindest eine axiale Einströmöffnung der Vertikalrotoren direkt anströmen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Windturbinenanordnung bezüglich einer weiteren Achse des Masts um einen vorgegebenen Winkel schräg gestellt. Dadurch kann wiederum eine Ausrichtung auf die Richtung einer Windströmung erreicht werden.
Zweckmäßigerweise sind die Achsen der Vertikalrotoren antriebsmäßig mit zumindest einem Generator verbunden. Damit kann die mechanische Energie der Vertikalrotoren in elektrische Energie umgewandelt werden.
Es ist auch möglich, mehrere erfindungsgemäße Windturbinenanordnungen übereinander anzuordnen, wobei jeweils übereinander angeordnete Vertikalrotoren über eine gemeinsame Welle antriebsmäßig mit einem Generator verbunden sind.
Alternativ kann die Bewegungsenergie der Vertikalrotoren über eine Transmission zum Antrieb einer Maschine, z. B. einer Pumpe, übertragen werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf eine Windturbine;
2 eine erste Seitenansicht gemäß 1;
3 eine zweite Seitenansicht gemäß 1;
4 eine Draufsicht auf einen ersten Vertikalrotor;
5 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 4;
6 eine Draufsicht auf ein Turbinenschaufelblatt;
7 eine Seitenansicht eines Turbinenschaufelblatts;
8 eine Schnittansicht durch einen zweiten Vertikalrotor;
9 eine Anordnung der Turbinenschaufelblätter;
10 eine Schnittansicht durch einen dritten Vertikalrotor;
11 eine Seitenansicht eines vierten Vertikalrotors;
12 eine Draufsicht auf eine erste Windturbinenanordnung;
13 eine schematische Seitenansicht der ersten Windturbinenanordnung;
14 eine Frontansicht der ersten Windturbinenanordnung;
15 einen Strömungsverlauf in der ersten Windturbinenanordnung;
16 eine Draufsicht auf eine zweite Windturbinenanordnung;
17 einen Strömungsverlauf in der zweiten Windturbinenanordnung;
18 eine Seitenansicht einer dritten Windturbinenanordnung;
19 eine Seitenansicht einer vierten Windturbinenanordnung;
20 eine Frontansicht der vierten Windturbinenanordnung;
21 eine Frontansicht einer fünften Windturbinenanordnung; und
22 eine Frontansicht einer sechsten Windturbinenanordnung.
In 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 allgemein ein Vertikalrotor einer in einer erfindungsgemäßen Windturbinenanordnung verwendbaren Windturbine bezeichnet. Der Vertikalrotor 1 ist um eine vertikale Achse 2 drehbar gelagert und weist eine Nabe 3 sowie eine Vielzahl an Turbinenschaufelblättern 4 auf. Eine zylindrische Mantelfläche und eine hier eben ausgebildete obere Axialfläche des Vertikalrotors 1 sind mit den Bezugszeichen 5 und 6 bezeichnet. Die Windturbine weist eine den Vertikalrotor 1 abschnittsweise umgebende Strömungsleiteinrichtung auf. Die Strömungsleiteinrichtung bildet eine Art Gehäuse des Vertikalrotors 1 und kann z. B. aus Blech oder Kunststoff hergestellt sein. Eine Hauptströmung ist durch einen mit dem Bezugszeichen H bezeichneten Pfeil angegeben. Die Drehrichtung des Vertikalrotors 1 ist mit einem mit dem Bezugszeichen D bezeichneten Pfeil angegeben.
Die Strömungsleiteinrichtung weist erste 7 und zweite Strömungsleitmittel 8 auf. Die ersten Strömungsleitmittel 7 bilden mit den Axialflächen 6 einen spitzen Winkel. Die ersten Strömungsleitmittel 7 durchgreifen dabei die Achse 2. Die zweiten Strömungsleitmittel 8 sind schräg auf die Mantelfläche 5 gerichtet. Die ersten 7 und zweiten Strömungsleitmittel 8 bilden jeweils einen Anströmtrichter. Ein sich im Anströmtrichter befindender Abschnitt des Vertikalrotors 1 kann durch die Hauptströmung H angeströmt werden. Ein außerhalb des Anströmtrichters sich befindender Abschnitt der oberen Axialfläche 6 ist durch die Strömungsleiteinrichtung abgedeckt. Ferner ist ein sich außerhalb des Anströmtrichters befindender, der Hauptströmung H zugewandter Abschnitt der Mantelfläche 5 durch die Strömungsleiteinrichtung abgedeckt. Dadurch wird erreicht, dass die entgegen der Hauptströmung H laufenden Turbinenschaufelblätter 4 nicht angeströmt werden. Ein mit dem Bezugszeichen 9 bezeichneter Mantelflächenabschnitt ist zum Abströmen einer Nebenströmung N aus dem Vertikalrotor 1 nicht abgedeckt.
Wie insbesondere in 1 zu erkennen ist, leiten die zweiten Strömungsleitmittel 8 die Hauptströmung H auf die radial äußeren Abschnitte der Turbinenschaufelblätter 4. Zur Verbesserung dieses Effekts weist die Strömungsleiteinrichtung zusätzliche Radialströmungsleitmittel 10 auf.
2 zeigt eine Seitenansicht der Windturbine. Hier ist besonders gut zu erkennen, dass die obere Axialseite 6, eine untere Axialseite 11 und die Mantelfläche 5 in einem durch punktierte Linien dargestellten Abschnitt des Axialrotors 1 durch die Strömungsleiteinrichtung abgedeckt sind. Der nicht abgedeckte Abschnitt kann von einer Strömung durch den Anströmtrichter angeströmt werden.
Wie aus 3 ersichtlich ist, bilden die nicht abgedeckten Abschnitte der oberen 6 sowie der unteren Axialfläche 11 jeweils axiale Einströmöffnungen 12, durch welche die Turbinenschaufeln 4 angeströmt werden können. Die axialen Einströmöffnungen 12 werden von den jeweils schräg zur oberen 6 bzw. unteren Axialfläche 11 gerichteten ersten Strömungsleitmitteln 7 überlappt. Die ersten Strömungsleitmittel 7 leiten die Hauptströmung H auf die axialen Einströmöffnungen 12. Zur Verbesserung dieses Effekts weist die Strömungsleiteinrichtung zusätzliche Axialströmungsleitmittel 13 auf. Der Vertikalrotor 1 kann somit neben radial auf die Turbinenschaufelblätter 4 gerichteten Strömungen auch durch Strömungen mit axialen Komponenten angetrieben werden. Die Achse 2 des Vertikalrotors 1 ist mit einem Generator 14 zum Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie verbunden.
Der Anströmtricher verjüngt sich in Richtung der Hauptströmung H. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Anströmtrichter schneckenhausartig ausgebildet. Damit wird die Anströmung des Vertikalrotors 1 weiter verbessert.
4 zeigt eine Draufsicht auf einen ersten Vertikalrotor 1. Der Vertikalrotor 1 weist hier zwölf Turbinenschaufelblätter 4 auf. Selbstverständlich kann eine andere Anzahl an Turbinenschaufelblättern 4 vorgesehen sein. Die Turbinenschaufelblätter 4 weisen jeweils im radial außen liegenden Bereich einen Knick mit einem Winkel von 135° bis 170° auf. Sie können auch gebogen ausgeführt sein.
Wie aus 5 ersichtlich ist, weist der Vertikalrotor 1 einen Rotorboden 15 auf. Vom Rotorboden 15 erstrecken sich in beide Axialrichtungen Turbinenschaufelblätter 4. Eine erste Höhe H1 der Turbinenschaufelblätter 4 auf der oberen Axialseite 6 ist hier gleich einer zweiten Höhe H2 der Turbinenschaufelblätter auf der unteren Axialseite 11. Die Turbinenschaufelblätter weisen an ihren Radialkanten jeweils eine Ausnehmung 16 auf, welche eine Einströmung von Wind mit axialen Komponenten erleichtert. Ein solcher Vertikalrotor 1 kann auf beiden Axialseiten 6, 11 angeströmt werden.
6 zeigt eine Draufsicht auf ein Turbinenschaufelblatt 4. Das Turbinenschaufelblatt 4 weist einen sich von der Nabe 3 radial nach außen erstrecken Radialabschnitt 17 auf. Daran schließen sich ein entgegen der Drehrichtung D abgewinkelter ersten Neigungsabschnitt 18 sowie ein gegen die Drehrichtung D abgewinkelter zweiter Neigungsabschnitt 19 an. Ein erster Winkel α zwischen dem Radialabschnitt 17 und dem ersten Neigungsabschnitt 18 beträgt zwischen 120° und 160°, vorzugsweise etwa 140°, ein zweiter Winkel β zwischen dem ersten 18 und dem zweiten Neigungsabschnitt 19 beträgt zwischen 110° und 150°, vorzugsweise etwa 130°. Die Länge L1 des Radialabschnitts 17 beträgt zwischen 70% und 90%, vorzugsweise etwa 80%, des Radius des Vertikalrotors 1. Die Länge L2 des zweiten Neigungsabschnitts 19 beträgt zwischen 1% und 5%, vorzugsweise etwa 2%, des Radius des Vertikalrotors 1.
7 zeigt eine Seitenansicht eines Turbinenschaufelblatts 4 mit einer Ausnehmung 16. Die Ausnehmung 16 ist im Radialabschnitt 17 vorgesehen. Eine Höhe des Turbinenschaufelblatts 4 ist mit A bezeichnet. Die Höhe der Ausnehmung 16 beträgt etwa A/2.
Bei dem in 8 dargestellten zweiten Vertikalrotor 1 ist die erste Höhe H1 der Turbinenschaufelblätter 4 auf der oberen Axialseite 6 größer als die zweite Höhe H2 der Turbinenschaufelblätter 4 auf der unteren Axialseite 11. Lediglich die Turbinenschaufelblätter 4 auf der oberen Axialseite 6 sind mit einer Ausnehmung 16 versehen.
Wie in 9 dargestellt ist, sind die Turbinenschaufelblätter 4 auf einer Axialseite 6, 11 jeweils mit einem dritten Winkel γ voneinander beabstandet. Der dritte Winkel γ wird durch seinen auf der vertikalen Achse 2 liegenden Scheitelpunkt S1 und zwei benachbarte Scheitelpunkte S2 des Winkels α definiert. Die Turbinenschaufelblätter 4 auf der jeweils anderen Axialseite 11, 6 sind jeweils um einen Winkel im Bereich von γ/4 bis 3γ/4, vorzugsweise γ/2, versetzt angeordnet. Bei einem Axialrotor 1 mit zwölf Turbinenschaufelblättern beträgt der Winkel γ etwa 30°.
Der in 10 dargestellte dritte Vertikalrotor 1 weist lediglich auf der oberen Axialseite 6 jeweils mit einer Ausnehmung 16 versehene Turbinenschaufelblätter 4 auf.
Der in 11 dargestellte vierte Vertikalrotor 1 weist drei Rotorböden 15 auf. Der Vertikalrotor 1 weist mehrere Segmente 20, 21, 22, 23 auf, wobei die axial äußeren Segmente 20, 23 sowohl radial als auch axial angeströmt werden können. Ein solcher Vertikalrotor 1 ist besonders stabil.
In 12 ist eine erste erfindungsgemäße Windturbinenanordnung mit vier Windturbinen dargestellt. Die erste Windturbinenanordnung weist zwei erste Vertikalrotoren 24 und zwei zweite Vertikalrotoren 25 auf. Die Windturbinenanordnung weist eine die ersten 24 und zweiten Vertikalroten 25 jeweils abschnittsweise umgebende Strömungsleiteinrichtung auf. Die ersten Vertikalrotoren 24 sind bezüglich der Richtung der Hauptströmung H stromaufwärts der zweiten Vertikalrotoren 25 angeordnet. Die Achsen 2c, 2d der zweiten Vertikalrotoren 25 sind weiter voneinander beabstandet als die Achsen 2a, 2b der ersten Vertikalrotoren 24. Die erste Windturbinenanordnung ist drehbar um eine Systemachse 26 gelagert. Die erste Windturbinenanordnung kann mittels einer Windrichtungsnachführung, z. B. einem Windrichtungsgeber oder einem mit einem die Windrichtung erfassenden Sensor verbundenen Stellmotor, um die Systemachse 26 in Windrichtung ausgerichtet werden. Die ersten Vertikalrotoren 24 weisen entgegengesetzte Drehrichtungen D1, D2 auf. Die zweiten Vertikalrotoren 25 weisen ebenfalls zueinander entgegengesetzte Drehrichtungen D3, D4 auf, wobei die Drehrichtung D3 bzw. D4 eines zweiten Vertikalrotors 25 jeweils entgegengesetzt zur Drehrichtung D1 bzw. D2 des stromaufwärts dazu angeordneten ersten Vertikalrotors 24 ist. Dadurch können Gegenlaufverluste vermieden werden. Die ersten Vertikalrotoren 24 weisen einen die ersten 7 und zweiten Strömungsleitmittel 8 umfassenden gemeinsamen Anströmtrichter auf. Die zweiten Vertikalrotoren 25 weisen jeweils einen schneckenhausartig ausgebildeten Anströmtrichter aus. Durch die Anströmtrichter werden die ersten 24 und die zweiten Vertikalrotoren 25 in Richtung der Hauptströmung H angeströmt. Die erste Windturbinenanordnung weist ferner etwa entsprechend der Mantelfläche gebogene dritte Strömungsleitmittel 27 auf. Die dritten Strömungsleitmittel 27 sind zwischen den beiden ersten Vertikalrotoren 24 angeordnet. Sie treffen entgegen der Hauptströmung H in einem spitzen Winkel aufeinander und bilden einen Strömungsteiler.
In 13 ist die erste Windturbinenanordnung in einer Windkraftanlage an einem Mast 28 angebracht. Die Achsen 2b, 2dder Vertikalrotoren 24, 25 sind jeweils antriebsmäßig mit einem Generator 14 verbunden. Beide Axialseiten 6, 11 der ersten 24 und zweiten Vertikalrotoren 25 weisen axiale Einströmöffnungen 12 auf. Durch die schräg zur Richtung der Hauptströmung H gerichteten ersten Strömungsleitmittel 7 kann eine Strömung mit axialen Komponenten auf die Axialflächen 6, 11 der ersten 24 und zweiten Vertikalrotoren 25 geleitet werden.
14 zeigt eine Frontansicht der ersten Windturbinenanordnung. Hier ist besonders gut zu erkennen, dass die Mantelflachen 5 und die Axialflächen 6, 11 der ersten 24 und zweiten Vertikalrotoren 25 teilweise durch die Strömungsleiteinrichtung abgedeckt sind. Ferner sind die die ersten 7 und zweiten Strömungsleitmittel 8 umfassenden, für jeden der ersten 24 und zweiten Vertikalrotoren 25 gebildeten Anströmtrichter ersichtlich.
15 zeigt einen Strömungsverlauf in der ersten Windturbinenanordnung. Die ersten 24 und zweiten Vertikalrotoren 25 werden jeweils durch die Hauptströmung H angeströmt. Durch die dritten Strömungsleitmittel 27 wird eine aus den ersten Vertikalrotoren 24 abströmende Nebenströmung N auf die Turbinenschaufelblätter 4 der zweiten Vertikalrotoren 25 geleitet. Die zweiten Vertikalrotoren 25 werden damit sowohl durch die Hauptströmung H als auch durch die Nebenströmung N angetrieben. Die Richtung der Nebenströmung N bildet im Beaufschlagungsbereich der zweiten Vertikalrotoren 25 mit der Richtung der Hauptströmung H einen Winkel von 20 bis 120°, vorzugsweise von 45 bis 100°, hier etwa von 90°. Ein solcher Strömungsverlauf ist besonders effizient.
16 zeigt eine zweite Windturbinenanordnung. Dabei sind die Achsen 2a, 2b der ersten Vertikalrotoren 24 weiter voneinander beabstandet als die Achsen 2c, 2d der zweiten Vertikalrotoren 25. Die ersten Vertikalrotoren 24 sind abschnittsweise von einem schneckenhausartigen Einströmtrichter umgeben. Für die zweiten Vertikalrotoren 25 ist ein erste 7 und zweite Strömungsleitmittel 8 umfassender Anströmtrichter vorgesehen. Das dritte Strömungsleitmittel 27 ist zwischen den zweiten Vertikalrotoren 25 vorgesehen.
Der Strömungsverlauf der zweiten Windturbineneinrichtung ist in 17 dargestellt. Die ersten 24 und zweiten Vertikalrotoren 25 werden wiederum durch die Hauptströmung H angeströmt. Die Strömungsleiteinrichtung ist so ausgebildet, dass eine von den ersten Vertikalrotoren 24 abströmende Nebenströmung N die zweiten Vertikalrotoren 25 antreibt. Die zweiten Strömungsleitmittel 8 der ersten Vertikalrotoren 24 weisen dazu einen sich mit einem Abstand entlang der Mantelfläche 5 der ersten Vertikalrotoren 24 erstrecken Abschnitt auf. Der Winkel zwischen der Richtung der Nebenströmung N und der Richtung der Hauptströmung H im Beaufschlagungsbereich der zweiten Vertikalrotoren 25 beträgt hier wiederum etwa 90°.
In 18 ist eine dritte Windturbinenanordnung dargestellt. Die Strömungsleiteinrichtung dient hier gleichzeitig als Dach der dritten Windturbinenanordnung. Dadurch kann einerseits der Fertigungsaufwand reduziert und andererseits die Anlage vor Wettereinflüssen geschützt werden. Die ersten 24 und zweiten Vertikalrotoren 25 sind in Bezug zur Richtung der Hauptströmung H schräg gestellt. Dadurch kann die obere Axialfläche 6 der Vertikalrotoren 24, 25 direkt angeströmt werden. Zur Schrägstellung kann eine geeignete Schwenkeinrichtung mit einem Motor und einem Sensor vorgesehen sein, welche die Windturbinenanordnung zur Hauptstromrichtung H ausrichtet. Die Schwenkbewegung kann z. B. in einem Bereich von +/–25° gegenüber der Horizontalen erfolgen.
19 zeigt eine an einem Mast 28 angebrachte vierte Windturbinenanordnung, bei welcher zwei erfindungsgemäße Windturbinenanordnungen kombiniert sind. Dabei sind die Achse 2b der ersten 24 und die Achse 2d der zweiten Vertikalrotoren 25 jeweils antriebsmäßig mit einem gemeinsamen Generator 14 verbunden. Die gesamte Anordnung kann um eine Schwenkachse 29 in Bezug zur Horizontalen geschwenkt werden und über einen Stellmotor 30 in Windrichtung ausgerichtet werden. Durch die Kombination mehrerer Windturbinenanordnungen, die z. B. in Modulbauweise ausgeführt sein können, können besonders leistungsfähige Anlagen realisiert werden.
In 20 ist eine Frontansicht der vierten Windturbinenanordnung dargestellt. Der Aufbau und die Funktion der einzelnen Module entspricht der Windturbinenanordnung von 14.
21 zeigt eine fünfte Windturbinenanordnung, bei der vier Windturbinen übereinander angeordnet sind. Die Vertikalrotoren 1 der Windturbinen sind über eine gemeinsame Welle 31 antriebsmäßig mit einem unterhalb der vier Windturbinen vorgesehenen Generator 14 verbunden.
22 zeigt eine sechste Windturbinenanordnung bei der jeweils zwei Windturbinen oberhalb und unterhalb eines Generators 14 angeordnet sind. Die Vertikalrotoren 1 der oberhalb und unterhalb des Generators 14 angeordneten Windturbinen sind wiederum über eine gemeinsame Welle 31 antriebsmäßig mit dem Generator 14 verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Vertikalrotor
2, 2a, 2b, 2c, 2d: vertikale Achse
3: Nabe
4: Turbinenschaufelblätter
5: Mantelfläche
6: obere Axialfläche
7: erstes Strömungsleitmittel
8: zweites Strömungsleitmittel
9: Mantelflächenabschnitt
10: Radialströmungsleitmittel
11: untere Axialfläche
12: axiale Einströmöffnung
13: Axialströmungsleitmittel
14: Generator
15: Rotorboden
16: Ausnehmung
17: Radialabschnitt
18: erster Neigungsabschnitt
19: zweiter Neigungsabschnitt
20: erstes Segment
21: zweites Segment
22: drittes Segment
23: viertes Segment
24: erster Vertikalrotor
25: zweiter Vertikalrotor
26: Systemachse
27: drittes Strömungsleitmittel
28: Mast
29: Schwenkachse
30: Stellmotor
31: Welle
A: Höhe des Turbinenschaufelblatts
B: Breite der Ausnehmung
D, D1, D2, D3, D4: Drehrichtung
H: Hauptströmung
H1: erste Höhe
H2: zweite Höhe
N: Nebenströmung
L1: Länge des Tangentialabschnitts
L2: Länge des zweiten Neigungsabschnitts
S1: erster Scheitelpunkt
S2: zweiter Scheitelpunkt
α: erster Winkel
β: zweiter Winkel
γ: dritter Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 8809111 U1 [0002]

Claims

Windturbinenanordnung mit vier um eine im Wesentlichen vertikale Achse (2a, 2b, 2c, 2d) rotierbaren Vertikalrotoren (24, 25) und einer die Vertikalrotoren (24, 25) abschnittsweise umgebenden Strömungsleiteinrichtung (7, 8, 10, 13, 27), wobei zwei erste Vertikalrotoren (24) bezüglich einer durch eine Windrichtung (H) gegebenen Hauptstromrichtung stromaufwärts zweier zweiter Vertikalrotoren (25) angeordnet sind, wobei erste Achsen (2a, 2b) der ersten Vertikalrotoren (24) und zweite Achsen (2c, 2d) der zweiten Vertikalrotoren (25) bezüglich der Hauptstromrichtung (H) versetzt zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (7, 8, 10, 13, 27) so ausgestaltet ist, dass eine von den ersten Vertikalrotoren (24) abströmende Nebenströmung (N) auf die stromabwärts nachgeordneten zweiten Vertikalrotoren (25) gerichtet ist.
Windturbinenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Strömungsleiteinrichtung (7, 8, 10, 13, 27) ferner so ausgebildet ist, dass die zweiten Vertikalrotoren (25) zusätzlich mit einem in der Hauptstromrichtung strömenden Hauptstrom (H) beaufschlagt werden.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsleiteinrichtung (7, 8, 10, 13, 27) so ausgebildet ist, dass eine Richtung der Nebenströmung (N) im Beaufschlagungsbereich der zweiten Vertikalrotoren (25) mit der Hauptstromrichtung (H) einen Winkel von 20 bis 120°, vorzugsweise von 45 bis 100° bildet.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Achsen (2c, 2d) der zweiten Vertikalrotoren (25) weiter voneinander beabstandet sind als die Achsen (2a, 2b) der ersten Vertikalrotoren (24).
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Lage der Achsen (2a, 2b, 2c, 2d) der Vertikalrotoren (24, 25) den Eckpunkten eines gleichschenkligen Trapezes entspricht.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich von einer Habe (3) der ersten und/oder zweiten Vertikalrotoren (24, 25) radial Turbinenschaufelblätter (4) erstecken, wobei der Vertikalrotor (24, 25) durch eine gedachte im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche (5) und gedachte im Wesentlichen senkrecht zur Achse (2a, 2b, 2c, 2d) verlaufende Axialflächen (6, 11) umhüllt wird, wobei ein auf die Mantelfläche (5) gerichteter radialer Anströmbereich teilweise mit der Strömungsleiteinrichtung (7, 8, 10, 13, 27) abgedeckt ist, wobei zumindest eine der Axialflächen (6, 11) mit der Strömungsleiteinrichtung (7, 8, 10, 13, 27) lediglich teilweise abgedeckt ist, so dass eine erste axiale Einströmöffnung (12) gebildet ist, durch welche die Turbinenschaufeln (4) durch eine schräg auf die Axialfläche (6, 11) gerichtete Strömung anströmbar sind.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsleiteinrichtung (7, 8, 10, 13, 27) erste Strömungsleitmittel (7) aufweist, welche die Einströmöffnung (12) in axialer Richtung überlappen und zumindest abschnittsweise schräg zur Axialfläche (6, 11) gerichtet sind, so dass sich ein durch die ersten Strömungsleitmittel (7) gebildeter Einströmquerschnitt in Strömungsrichtung (H) verkleinert.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Strömungsleitmittel (7) stromabwärts in eine im Wesentliche parallel zur Axialfläche (6, 11) gerichtete Richtung umbiegen.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit der Strömungsleiteinrichtung (7, 8, 10, 13, 27) jede der Axialflächen (6, 11) lediglich teilweise abgedeckt ist, so dass in jeder Axialfläche (6, 11) jeweils eine axiale Einströmöffnung (12) gebildet ist, durch welche die Turbinenschaufeln (4) durch in eine schräg auf die jeweilige Axialfläche (6, 11) gerichtete Strömung anströmbar sind.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsleiteinrichtung (7, 8, 10, 13, 27) zumindest abschnittsweise schräg auf die Mantelfläche (5) gerichtete zweite Strömungsleitmittel (8) aufweist.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Strömungsleitmittel (8) stromabwärts in eine im Wesentlichen tangential zur Mantelfläche (5) gerichtete Richtung umbiegen.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Strömungsleitmittel (7) und die zweiten Strömungsleitmittel (8) einen in Strömungsrichtung (H) sich verjüngenden Anströmtrichter bilden.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den ersten Strömungsleitmitteln (7) und der Axialfläche (6, 11) ein Spalt mit einer Breite von 2 bis 20 cm vorgesehen ist.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der Vertikalrotoren (24, 25) zumindest einen im Wesentlichen senkrecht zur Achse (2a, 2b, 2c, 2d) verlaufenden Rotorboden (15) aufweist.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich erste Turbinenschaufeln (4) in axialer Richtung von einer Oberseite des Rotorbodens (15) erstrecken.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich zweite Turbinenschaufeln (4) in axialer Richtung von einer Unterseite des Rotorbodens (15) erstrecken.
Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an zumindest einer Radialkante der Turbinenschaufeln (4) eine Ausnehmung (16) vorgesehen ist.
Windkraftanlage, wobei eine Windturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einem Mast (28) angebracht ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 18, wobei die Windturbinenanordnung bezüglich einer weiteren Achse des Masts (28) mittels einer Schwenkeinrichtung um eine horizontale Achse (29) schwenkbar ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Windturbinenanordnung bezüglich einer weiteren Achse des Masts (28) um einen vorgegeben Winkel schräg gestellt ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Achsen (2a, 2b, 2c, 2d) der Vertikalrotoren (24, 25) antriebsmäßig mit zumindest einem Generator (14) verbunden sind.