DE102009035997A1

DE102009035997A1 - Strömungsenergieanlage, insbesondere Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102009035997A1
Application number: DE102009035997A
Authority: DE
Inventors: Gunter Kraus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2010-05-06
Also published as: DE202008010396U1; WO2010012278A3; JP2011529541A; US20110135459A1; DE112009002408A5; WO2010012278A2

Abstract

Strömungsenergieanlage mit wenigstens einem um eine Achse (A1) rotierenden Rotor (1) mit Rotorblättern (2), wobei dem Rotor eine Einleitflächenkonstruktion zugeordnet ist und die Rotorblätter und/oder die Einleitflächenkonstruktion zumindest teilweise aus einem oder mehreren Luftkissen bestehen.

Description

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.
Nach DE 299 20 899 U1 , 2451751 A1 und US 4,084,918 sind Windkraftanlagen mit Vertikalrotor und Frontalanströmung bekannt, die ebenfalls eine spezielle gehäuseartige Einleitflächenkonstruktion aufweisen, durch die eine Eintrichterung bzw. ein Sog erzielt werden soll, womit höhere Durchströmgeschwindigkeiten erzielbar sind.
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. Weiterhin sind am Außenumfang eine Vielzahl von Einleitflächen vorgesehen.
In WO 02/095221 A1 wird eine Strömungsenergieanlage beschrieben, die ebenfalls einen Rotor mit einer vertikalen Rotationsachse aufweist, die auch bereichsweise von einer umfangsseitigen Einleitflächenkonstruktion umgeben sind und Einleitflächen besitzt, die beidseitig des Rotors angeordnet sind.
Die Rotorblätter erstrecken sich bei allen vorgenannten Lösungen von unten nach oben und weisen im Querschnitt eine tragflügelartige Form auf.
Die Herstellung der Einleitflächenkonstruktionen bzw. der Rotorblätter ist dabei kompliziert und somit der konstruktive und fertigungstechnische Aufwand relativ aufwendig. Hinzu kommt der hohe Platzbedarf beim Transport dieser Anlagen.
Es sind bereits seit langem aufblasbare Luftkissen bekannt, die für Bote und Bauwerke eingesetzt werden. So wurde z. B. die Außenhaut der „Allianzarena” aus einer Vielzahl von Luftkissen gefertigt.
In DE 10117 283 A1 wird ein Stadion aus Plastik auf Luftkissen offenbart. Dazu werden Module aus Weichplastik mit Druckluft in Form gebracht und durch Hartplastiksitzreihen und Platten an der Außenseite und am Boden sowie durch innere Spannseile belastungsstabil und formstabil gemacht.
Weiterhin ist aus der Druckschrift EP 1 752 070 B1 ein aufblasbares Luftkissen bekannt, welches für eine aufblasbare Matratze, eine aufblasbare Couch, eine aufblasbare Brücke oder ein aufblasbares Boot einsetzbar ist und eine flache Oberflächenkonfiguration aufweisen soll. Das Luftkissen besitzt dazu eine Vielzahl sich kreuzender Spannelemente, die mit ihren beiden Enden mit der Innenseite der Außenhaut verbunden sind und die unter Spannung gebracht werden, wenn das aufblasbare Luftkissen aufgeblasen wird.
In EP 1 386 586 B1 wird ein Luftkissen beschrieben, welches sich ordnungsgemäß entfalten soll. Die femorale Kompressions-Luftkisseneinheit umfasst dazu eine Basisplatte und ein aufblasbares Luftkissen, das an der Basisplatte angebracht ist, wobei die Luftkisseneinheit eine interne teleskopische Führung umfasst, die die Basisplatte mit dem Luftkissen verbindet und die teleskopische Führung einen ersten Stab umfasst, der in einer verschiebbaren Beziehung mit einem Führungselement angeordnet ist, wobei der Stab und das Führungselement miteinander teleskopisch verbunden sind.
Die bisher bekannten Luftkissen sind jedoch nicht für den Einsatz in Strömungsenergieanlagen vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsenergieanlage zu schaffen, die einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und beim Transport einen geringen Platzbedarf benötigt.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Strömungsenergieanlage weist erfindungsgemäß wenigstens einen um eine Achse rotierenden Rotor mit Rotorblättern auf, wobei dem Rotor eine Einleitflächenkonstruktion zugeordnet ist und die Rotorblätter und/oder die Einleitflächenkonstruktion zumindest teilweise aus einem oder mehreren Luftkissen bestehen. Dadurch wird der Aufbau der Anlage wesentlich vereinfacht, Gewicht reduziert und Transportvolumen verringert.
Bevorzugt besteht die Einleitflächenkonstruktion aus wenigstens zwei seitlich zum Rotor angeordneten Leitelementen für das Strömungsmedium (nachfolgend Diffusorelemente genannt), die an einem Grundkörper befestigt sind.
Der Grundkörper weist dabei zwei voneinander beabstandete Endplatten auf, zwischen denen die als Luftkissen ausgebildeten Diffusorelemente angeordnet sind. Bevorzugt werden die als Luftkissen ausgebildeten Diffusorelemente mittels erster Streben zwischen den Endplatten befestigt, wozu die Diffusorelemente Durchbrüche aufweisen und die ersten Streben die Luftleitelemente im Bereich der Durchbrüche durchdringen. Dazu sind die Diffusorelemente im Bereich ihrer Durchbrüche verstärkt, z. B. mit metallischen Hülsen oder Kunststoffhülsen.
Der Rotor besitzt wenigstens zwei voneinander beabstandete Rotorplatten, zwischen denen die als Luftkissen ausgebildeten Rotorblätter, insbesondere mittels zweiter Streben, befestigt sind. Die Rotorblätter besitzen ebenfalls Durchbrüche und die zweiten Streben durchdringen die Rotorblätter im Bereich dieser Durchbrüche. Vorteilhafter Weise sind die Rotorblätter wie die Luftleitelemente im Bereich der Durchbrüche verstärkt ausgeführt.
Wenigstens eine oder beide Endplatten des Grundkörpers sind ebenfalls mit nach außen weisenden Luftkissens versehen, deren Grundfläche im Wesentlichen der Grundfläche der entsprechenden Endplatte entspricht.
Die Luftkissen weisen eine Außenhaut auf und es erstrecken sich vorteilhafter Weise innerhalb des Luftkissens stabilisierende Spannelemente, die an der Außenhaut befestigt sind.
Jedes Luftkissen kann eine oder mehrere Kammern aufweisen, die untereinander verbunden und durch einen Anschluss befüllbar sind. Alternativ kann jede Kammer separat befüllbar sein.
Der walzenartige Rotor weist vorzugsweise sich in Achsrichtung der Achse des Rotors erstreckende Rotorblätter auf und auch die zwischen den Endplatten des Grundkörpers angeordneten Diffusorelemente erstrecken sich bevorzugt in Achsrichtung der Achse des Rotors.
Die seitlich zum Rotor angeordneten Diffusorelemente sind insbesondere bereichsweise so gewölbt, dass sie dem Verlauf eines, die nach außen weisenden Enden der Rotorblätter umspannenden, Hüllkreises angepasst sind.
Die Diffusorelemente sind insbesondere im Querschnitt tragflächenprofilartig ausgebildet und bilden eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung für das Strömungsmedium, wobei sich, ausgehend von der Anströmrichtung des Windes, der Abstand zwischen den aufeinander zuweisenden Flächen der Luftleitelemente bis zum Rotor in der Art eines Konfusors verjüngt, anschließend dem Verlauf/Durchmesser des Rotors angepasst ist und sich nach dem Rotor in der Art eines Diffusors erweitert. Die nach außen weisenden Flächen der Luftleitelemente sind im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander angeordnet.
Durch diese neuartige innovative Gestaltung der Strömungsenergieanlage ist diese einfach herstellbar transportierbar.
Insbesondere die Verwendung mit gasförmigen Medien, d. h. der Einsatz als Windkraftanlage (Windturbine), aber auch die Verwendung in flüssigen Medien, z. B. als Wasserkraftturbine oder als Wasserrad, eröffnet neue Möglichkeiten und gewährleistet eine kostengünstige Serienproduktion. Die Luftkissen werden erst bei Installation der Windkraftanlage gefüllt.
In Anströmrichtung des Windes verjüngt sich dabei die Einströmöffnung vom Eingang des Konfusors bis vor den Rotor auf ein Verhältnis bis 6:1, jedoch bevorzugt 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 den Endplatten des Gehäuses 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.
Es ist auch möglich, den Grundkörper und den Rotor separat zu lagern, so dass nur der Grundkörper mit den Diffusorelementen bei Änderung der Windrichtung geschwenkt wird.
Zwischen den Endplatten ist wenigstens ein Rotor drehbar gelagert. Es können zwischen den Endplatten auch zwei oder mehr Rotoren in Strömungsrichtung nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein. Jeder Rotor weist wenigstens zwei Rotorplatten auf, zwischen denen sich die Rotorblätter erstrecken. Zwischen den zwei äußeren Rotorplatten können weitere, die Rotorblätter stabilisierende Rotorplatten angeordnet sein. Die Rotorplatten sind bevorzugt kreisförmig ausgebildet.
Der Rotor weist umfangsseitig mehrere 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.
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. 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.
Durch die Verwendung von Luftkissen als Diffusorelemente ist die Anlage für den schwimmenden Einsatz in Wasserläufen prädestiniert, da sich diese mit dem Pegel hebt oder senkt und somit unabhängig vom Pegelstand betreibbar ist.
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.
Dies kann z. B. mittels einer fahnenartigen Anordnung auf oder unter der Windkraftanlage realisiert werden. Dies ist eine einfache und störungsfreie Möglichkeit der selbsttätigen Ausrichtung des Diffusorgehäuses.
Die Höhe des Diffusorelementes sollte in etwa der Höhe des Rotors entsprechen.
Es ist 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.
Die Windkraftanlage kann z. B. in Verbindung mit einem Generator zum Aufladen einer Batterie genutzt werden.
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.
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 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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: Dreidimensionale Ansicht einer Windkraftanlage aus der Anströmrichtung
2: Dreidimensionale Einzeldarstellung eines ersten Luftleitelementes
3: Dreidimensionale Einzeldarstellung des ersten Diffusorelementes mit ersten Streben
4: Dreidimensionale Einzeldarstellung eines zweiten Diffusorelementes,
5: Dreidimensionale Einzeldarstellung des zweiten Diffusorelementes mit zweiten Streben,
6: Prinzipdarstellung der Kopplung des ersten und zweiten Diffusorelementes mit dem Grundkörper,
7: Dreidimensionale Darstellung eines Rotors mit übereinander angeordneten und zueinander versetzten Rotorflügeln aus Luftkissen,
8: Querschnitt durch eine Windkraftanlage im Bereich des Rotors und der beidseitig zu diesem angeordneten Diffusorelementen
9: Draufsicht einer Windkraftanlage mit Windfahne an der Unterseite,
10: Verwendung einer vertikalen Strömungsenergieanlage zur Energieversorgung eines Wohnhauses,
11: Verwendung einer vertikalen Strömungsenergieanlage zur Stromerzeugung bzw. zum Aufladen einer Batterie auf einem Schiff,
12: Verwendung von zwei horizontalen Strömungsenergieanlagen auf einem Dach zur Energieversorgung eines Wohnhauses,
13: Verwendung einer „schwimmenden” horizontalen Strömungsenergieanlage zur Stromerzeugung in der Vorderansicht in einem Flusslauf oder Kanal.
In 1 ist die dreidimensionale Ansicht einer Strömungsenergieanlage beim Einsatz als Windkraftanlage mit einem um eine erste vertikale Achse A1 drehbaren walzenartigen Rotor 1 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 (s. 7) begrenzt. Zwischen diesen äußeren Rotorplatten 4, 5 wird der Rotor 1 durch zwei (s. 1) oder durch nur eine (s. 2) stabilisierende Rotorplatten 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. Die Rotorblätter 2 und die Luftleitflügel 3 sind hier massiv ausgebildet. Die Luftleitflügel 3 sind von den Rotorblättern 2 beabstandet, wie auch aus 9 hervorgeht.
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.
Der Rotor 1 wird von einer Luftleitflächenkonstruktion (s. 1) 7 teilweise ummantelt, die schwenkbar auf einem Mast M sitzt. Die Luftleitflächenkonstruktion 7 besteht aus einer oberen ersten Endplatte 8.1 und einer unteren zweiten Endplatte 8.2, zwischen denen sich beidseitig zum Rotor 1 ein erstes Diffusorelement 9 und ein zweites Diffusorelement 10 erstrecken, wobei beide Diffusorelemente 9, 10 aus Luftkissen gebildet werden. Das erste Diffusorelement 9 weist drei übereinander angeordnete Kammern 9.1, 9.2, 9.3 und das zweite Diffusorelement 10 drei übereinander angeordnete Kammern 10.1, 10.2, 10.3 auf. Es ist möglich, dass anstelle eines Luftkissens mit mehreren Kammern auch einzelne Luftkissen übereinander angeordnet werden. Das/die Luftkissen verspannen sich beim Befüllen gegen die untere und obere Endplatte 8.1, 8.2. bzw. bei mehreren Luftkissen auch gegeneinander. werden mehrere Luftkissen verwendet können diese zusätzlich untereinander verbunden werden.
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.
Von der oberen Endplatte 8.1 und von der unteren Endplatte 8.2 erstrecken sich zum ersten und zum zweiten Diffusorelement 9, 10 Leitelemente L mit einer Abschrägung von ca. 45°, durch welche Turbulenzen vermieden bzw. verringert werden.
In 3 wird die dreidimensionale Einzeldarstellung des ersten Diffusorelementes 9 gezeigt, welches als Luftkissen ausgebildet ist und drei übereinander angeordnete Kammern 9.1, 9.2, 9.3 besitzt. In dem ersten Diffusorelement 9 sind drei Durchbrüche 20 vorhanden, die zu dessen Befestigung dienen. Die Durchbrüche 20 können mit einer z. B. metallischen Verstärkung 21 versehen sein.
Gem. 3 weist das erste Diffusorelement 9 fünf übereinander angeordnete Kammern 9.1 bis 9.5 auf, die in einem Luftkissen ausgebildet sind. In diesem Fall sind nur zwei Durchbrüche 20 vorhanden, die mit einer Verstärkung 21 versehen wurden und in die erste Streben 21 eingebracht wurden, die durch die Durchbrüche 20 führen. Die ersten Streben 21 werden an der ersten und der zweiten Endplatte 8.1, 8.2 (hier nicht dargestellt) befestigt. Ähnlich gem. 2 ist der Aufbau des zweiten Diffusorelementes 10 gem. 4 gestaltet. Dieses ist ebenfalls als Luftkissen ausgebildet und weist drei übereinander angeordnete Kammern 10.1, 10.2, 10.3 auf, die mit drei Durchbrüchen 20 versehen sind, wobei die Durchbrüche 20 ebenfalls Verstärkungen 21 aufweisen. 4 zeigt ein zweites Diffusorelement 10 mit 5 Kammern 10.1 bis 10.5 und zwei mit einer Verstärkung 21 versehenen Durchbrüchen 20, durch die erste Streben 22 ragen.
Nun werden beide Diffusorelemente 9, 10 werden gem. 6 mittels Querstreben 14, die an die oberen und unteren Enden der Streben 13 anbinden, mittels nicht dargestellter Befestigungselemente untereinander befestigt und sind schwenkbar gelagert. 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.
Die dreidimensionale Darstellung eines Rotors 1 mit übereinander angeordneten und zueinander versetzten Rotorblättern 2 (ohne die Verwendung von Luftleitflügeln) wird in 7 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 Rotorblättern 2 versetzt angeordnet, so dass jeweils ein oberes Rotorblatt 2 im Wesentlichen mittig in der Draufsicht (s. 8) zwischen zwei unteren Rotorblättern 2 liegt. Die Rotorblätter 7 werden aus Luftkissen gebildet, die mittels diese in Längsrichtung durchdringenden zweiten Streben 23 an den Rotorplatten 4, 5, 6 befestigt sind.
In 8 ist die Draufsicht des Rotors 1 gem. 6 und der Diffusorelemente 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. Es sind die ersten Streben 22 für die Befestigung der Diffusorelemente 9, 10 und die zweiten Streben 23 für die Befestigung der Rotorblätter 2 angedeutet. Die Diffusorelemente 9, 10 und die Rotorblätter 2 bestehen aus Luftkissen.
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.
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 Konfusorfläche 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 Konfusorfläche 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.
Die Rotorblätter 2 sind 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.
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.
In 9 wird eine einfache Möglichkeit der Nachstellung der Luftleitflächenkonstruktion 7 entsprechend der Windrichtung gezeigt. Dabei sitzt an der Unterseite des Grundkörpers eine Windfahne 18, die die Luftleitflächenkonstruktion 7 radial auf der Seite der Ausströmöffnung A überragt. Aus dieser Darstellung ist auch ersichtlich, dass jedem Rotorblatt ein Luftleitflügel zugeordnet sein kann.
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.
Weiterhin ist es gemäß nicht dargestellter Ausführungsbeispiele möglich, durch die Strömungsenergieanlage eine Pumpe anzutreiben.
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.
Die erfindungsgemäße Lösung ist somit für vielfältige Anwendungsgebiete einsetzbar. Durch die Beschleunigung der Windgeschwindigkeit im Strömungskörper durch die Luftleitelemente (Diffusorelemente) insbesondere kann die Energieausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Strömungsenergieanlagen um mehr als das 5-fache gesteigert werden. 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.
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.
Die großen Außenflächen 9a, 10a der Diffusorelemente 9, 10 können als Werbeträger genutzt werden.
10 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.
In 11 ist ebenfalls eine vertikale Windkraftanlage W auf einem Schiff 20 dargestellt, mit welcher z. B. Batterien wieder aufladbar sind.
Gemäß 12 ist es auch möglich, ein oder mehrere horizontale Strömungsenergieanlage/n S auf einem Dach 21 anzuordnen. Der Grundkörper 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).
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 die Luftkissen in Form der Diffusorelemente und eine „schwimmende” Befestigung dem Pegel des strömenden Mediums 22 an.
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.
In allen vorgenannten Beispielen gem. 10 bis 13 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.
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.
Weiterhin ist es gemäß nicht dargestellter Ausführungsbeispiele möglich, durch die Strömungsenergieanlage eine Pumpe anzutreiben.
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.
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.
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.
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.
Die großen Außenflächen 9a, 10a der Diffusorelemente 9, 10 können als Werbeträger genutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 810500 B [0001]
- DE 29920899 U1 [0002]
- DE 2451751 A1 [0002]
- US 4084918 [0002]
- DE 20102051 U1 [0003]
- WO 02/095221 A1 [0004]
- DE 10117283 A1 [0008]
- EP 1752070 B1 [0009]
- EP 1386586 B1 [0010]

Claims

Strömungsenergieanlage mit wenigstens einem um eine Achse (A1) rotierenden Rotor (1) mit Rotorblättern (2), wobei dem Rotor eine Einleitflächenkonstruktion zugeordnet ist und die Rotorblätter und/oder die Einleitflächenkonstruktion zumindest teilweise aus einem oder mehreren Luftkissen bestehen.
Strömungsenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitflächenkonstruktion aus wenigstens zwei seitlich zum Rotor (1) angeordneten Leitelementen für das Strömungsmedium (nachfolgend Diffusorelemente genannt) besteht.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Luftkissen ausgebildeten Diffusorelemente zwischen voneinander beabstandeten Endplatten eines Grundkörpers befestigt sind.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Luftkissen ausgebildeten Diffusorelemente mittels erster Streben zwischen den Endplatten befestigt sind.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorelemente erste Durchbrüche aufweisen und dass die ersten Streben die Diffusorelemente im Bereich der ersten Durchbrüche durchdringen.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorelemente im Bereich ihrer ersten Durchbrüche verstärkt sind.
Strömungsenergieanlagen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) wenigstens zwei voneinander beabstandete Rotorplatten aufweist, zwischen denen die als Luftkissen ausgebildeten Rotorblätter (2) befestigt sind.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (2) mittels zweiter Streben an den Rotorplatten befestigt sind.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (2) zweite Durchbrüche aufweisen und dass die zweiten Streben die Rotorblätter (2) im Bereich der zweiten Durchbrüche durchdringen.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Endplatten des Grundkörpers mit einem endseitigen Luftkissen versehen sind, dessen Grundfläche im Wesentlichen der Grundfläche der jeweiligen Endplatte entspricht.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkissen eine Außenhaut aufweisen und dass sich innerhalb des Luftkissens stabilisierende Spannelemente erstrecken, die an der Außenhaut befestigt sind.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) sich in Längsrichtung der Achse (A1) erstreckende Rotorblätter (2) aufweist, die radial nach von außen nach innen ausgerichtet sind.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zwischen den Endplatten des Grundkörpers erstreckenden Diffusorelemente in Längsrichtung der Achse (A1) erstrecken.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlich zum Rotor angeordneten Diffusorelemente in Richtung zum Rotor bereichsweise so gewölbt sind, dass sie dem Verlauf eines, die nach außen weisenden Enden der Rotorblätter umspannenden, Hüllkreises angepasst sind.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch zwei Diffusorelemente eine Einströmöffnung (Es) und eine Ausströmöffnung (As) gebildet werden.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Diffusorelemente im Querschnitt tragflächenprofilartig ausgebildet sind.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich, ausgehend von der Anströmrichtung des Windes (W), der Abstand zwischen den aufeinander zuweisenden Flächen der Diffusorelemente verjüngt, anschließend dem Verlauf/Durchmesser des Rotors (1) angepasst ist und sich nach dem Rotor (1) in der Art eines Diffusors erweitert.
Strömungsenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die nach außen weisenden Flächen (4a, 5a) der Diffusorelemente (4, 5) im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander sind.