DE102010009793A1

DE102010009793A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102010009793A1
Application number: DE102010009793A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2011-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (100) mit einem einen Eintritts- und Austrittsbereich (12, 25) aufweisenden Diffusor (10), der einen Rotorraum (11) aufweist, in dem ein Rotor (22) mit Rotorblättern (27, 28, 29) angeordnet ist, wobei ein in den Eintrittsbereich (12) geleiteter Luftstrom (14) ungeteilt ist. Um eine Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen, deren Rotor eine größere Kraftübertragung gewährleistet, schlägt die Erfindung vor, dass sämtliche Rotorblätter (27, 28, 29) einer Rotordrehachse (26) des Rotors (22) zugeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem einen Eintritts- und Austrittsbereich aufweisenden Diffusor, der einen Rotorraum aufweist, in dem ein Rotor mit Rotorblättern angeordnet ist, wobei ein in den Eintrittsbereich geleiteter Luftstrom ungeteilt ist.
Windkraftanlagen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bspw. offenbart das deutsche Gebrauchsmuster Nr. 202 07 363 eine derartige Windkraftanlage. Diese vorbekannte Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, dass an einem Mast ein um eine erste vertikale Achse rotierender Rotor drehbar gelagert ist, wobei beidseitig zum Rotor zwei Diffusorelemente, d. h. Mantelungen angeordnet sind. Weiterhin weist diese vorbekannte Windkraftanlage vier übereinander angeordnete kreisförmige Rotorscheiben auf, an denen jeweils Rotorblätter angeordnet sind. Die Rotorblätter erstrecken sich dabei vom Umfang der Rotorscheiben in einer gewölbten oder gebogenen Linie radial nach innen. Hierdurch entsteht im Achsenbereich des Rotors ein Freiraum, da in diesem Bereich die Rotorblätter nicht in Richtung der Achse zulaufen.
Rotoren für Windkraftanlagen müssen jedoch eine hohe Stabilität und Festigkeit aufweisen, um Windkräfte und aus der Drehung resultierende Fliehkräfte aufnehmen zu können. Zudem müssen die Rotoren der Windkraftanlagen zumeist eine konstruktive Ausgestaltung aufweisen, die gewährleistet, dass im Rotorraum keine Turbulenzen auftreten.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen, deren Rotor eine große Kraftübertragung und Stabilität gewährleistet, wobei im Inneren des Rotorraumes Turbulenzen vermieden werden sollen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen den Anspruchs 1 geschützt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung manifestieren sich in den Unteransprüchen.
Die Erfindung sieht vor, dass sämtliche Rotorblätter einer Rotordrehachse des Rotors zugeordnet sind. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Rotorblätter mit der Rotordrehachse über eine zylindrische Ummantelung, die in einer anderen Terminologie auch als Rotornarbe bezeichnet werden kann, gekoppelt ist.
Dadurch, dass die Ummantelung und die Rotorblätter miteinander verbunden sind, entstehen im Achsenbereich des Rotors keine oder nur sehr geringfügige Turbulenzen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass im Gegensatz bspw. zu der in dem deutschen Gebrauchsmuster Nr. 202 07 363 offenbarten Windkraftanlage die Rotorblätter nicht am Umfang des Rotors ihre Befestigung erfahren. Hierdurch erreichen gerade großflächige Rotorblätter eine größere Stabilität, um Windkräfte und die aus der Drehung resultierenden Fliehkräfte besser aufnehmen zu können.
Die Rotorblätter können erfindungsgemäß geometrisch unterschiedlich gestaltet sein. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Rotorblätter gewölbt sind. Insbesondere kann die dem im Eintrittsbereich eintretenden Luftstrom zugewandte Seite des gewölbten Rotorblattes konkav ausgebildet sein.
Eine praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass die dem in den Eintrittsbereich eintretenden Luftstrom zugewandte Seite des Rotorblattes einen ersten und zweiten konkaven Abschnitt aufweist, an denen sich nach außen erstreckend ein konvexer Abschnitt anschließt. Zudem weist dieses Rotorblatt im Bereich der konkaven Abschnitte eine Verdickung auf, die mit der Ummantelung verbunden ist und ungefähr mittig des zweiten konkaven Abschnitts, der zwischen dem ersten konkaven Abschnitt und dem konvexen Abschnitt ausgebildet ist, spitz auf den zweiten konkaven Abschnitt zuläuft. Durch diese Verdickung im Achsenbereich des Rotorraumes wird die Stabilität der Rotorblätter weiter erhöht.
Die Erfindung sieht darüber hinaus ein Verfahren zur Gewinnung von Windenergie vor, bei dem ein in einem Diffusor geleiteter Luftstrom nur auf ein einer Rotordrehachse eines Rotors zugeordnetes Rotorblatt trifft.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischen Darstellungen:
1 in einer Draufsicht eine Windkraftanlage ohne Diffusordachelement gemäß der Erfindung;
2 in einer Seitenansicht die erfindungsgemäße Windkraftanlage;
3 in einer Vorderansicht die erfindungsgemäße Windkraftanlage mit mehreren Eintrittsbereichen; und
4 in einer Draufsicht eine Ausführungsform der Rotorblätter gemäß der Erfindung.
1 zeigt in einer Draufsicht eine Windkraftanlage gemäß der Erfindung, die mit dem Bezugszeichen 100 versehen ist.
Wesentlicher Bestandteil der Windkraftanlage 100 ist der Diffusor 10, der in der in 1 dargestellten Ausführungsform ohne ein Dachelement gezeigt ist, so dass der Betrachter direkt in den Rotorraum 11 blickt.
Der Diffusor 10 weist einen Eintrittsbereich 12 auf. Der Eintrittsbereich 12 ist mit einer Öffnung 13 versehen, durch die ein durch Pfeile angedeuteter Luftstrom 14 strömt, der Teil einer Windströmung ist, der der Diffusor 10 ausgesetzt ist. Der Eintrittsbereich 12 hat die Gestalt eines Trichters und ist folglich von konischer Form, d. h. der Diffusor 10 weist einen Bereich 15 konstanten Querschnitts auf, der sich zwischen dem Rotorraum 11 und der Öffnung 13 des Eintrittsbereichs 12 befindet. Der Bereich 15 weist zudem seitlich zwei Seitenflächen 16, 17 auf, die sich bis zu den Kanten 18, 19 erstrecken. An den Kanten 18, 19 schließen sich zwei weitere Seitenflächen 20, 21 der Eintrittsöffnung 12 an. Die Seitenflächen 20, 21 sind im Bezug auf die Seitenflächen 16, 17 gewinkelt angeordnet, so dass der Querschnitt des Diffusors 10 in dem Eintrittsbereich 12 zum Rotorraum 11 hin abnimmt. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass es strömungstechnisch bedingt zu einer Beschleunigung der Lustströmung 14 kommt, die mit Eintritt in den Rotorraum 11 ihr Maximum erreicht. Der in den Eintrittsbereich 12 eintretende Luftstrom 14 ist ungeteilt, d. h. er wird schnellstmöglich in den Rotorraum 11 geleitet und nicht bspw. durch in dem Eintrittsbereich 12 befindliche Hindernisse umgelenkt, wodurch Turbulenzen in dem Eintrittsbereich 12 vermieden werden.
Zur Ausnutzung der hohen Strömungsgeschwindigkeit befindet sich in dem Rotorraum 11 ein Rotor 22, der von Wänden des Diffusors 10, die in Gestalt von Mantelungen 23, 24 vorliegen, umgeben und seitlich begrenzt ist. Die Mantelungen 23, 24 können wie die Seitenflächen 16, 17, 20, 21 aus Metall oder Kunststoff bestehen. Die einen Teil des Rotorraumes 11 begrenzenden Mantelungen 23, 24 schließen sich unmittelbar dem Bereich 15 konstanten Querschnitts des Eintrittsbereichs 12 an. Somit befinden sich die Mantelungen 23, 24 zwischen dem Eintrittsbereich 12 und dem Austrittsbereich 25 des Diffusors 10, der in der in 1 dargestellten Ausführungsform die Gestalt einer Öffnung ohne Seitenwände hat. Die Mantelungen 23, 24 sind vollflächig ausgebildet und weisen keine spiegelbildlliche Gleichheit auf. Die Mantelung 23 ist halbkreisförmig, d. h. in Form einer Halbschale ausgebildet, wohingegen die gegenüberliegende Mantelung 24 eine gerade Fläche bildet.
Wie aus 1 weiter hervorgeht, weist der Rotor 22 eine Rotordrehachse 26 auf, die vertikal zum Erdboden angeordnet ist. Der Rotor 22 ist weiterhin mit drei Rotorblättern 27, 28, 29 versehen. Es konnte gezeigt werden, dass durch diese Anzahl von Rotorblättern 27, 28, 29 ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann. Die Rotorblätter 27, 28, 29 sind mit der Rotordrehachse 26 über eine zylindrische Ummantelung 30 gekoppelt, die in einer anderen Terminologie auch als Rotornarbe bezeichnet werden kann und auf der Rotordrehachse, die bspw. in Gestalt eines Zapfens vorliegt, aufgesetzt ist, wodurch eine Drehlagerung entsteht. Die Rotorblätter 27, 28, 29 sind an der Ummantelung 30 befestigt und bilden zusammen ein einteiliges Gebilde, wodurch sämtliche Rotorblätter 27, 28, 29 der Rotordrehachse 26 zugeordnet sind.
Die Form der Rotorblätter 27, 28, 29 gestaltet sich derart, dass die Druckseite der vollflächigen Rotorblätter 27, 28, 29, d. h. die Seite, auf die der in den Diffusor 10 geleitete Luftstrom 14 trifft, konkav ausgebildet ist oder in Gestalt eines Teils eines flächigen Kreisumfangs vorliegt. Der Eintrittsbereich 12 und die Rotorblätter 27, 28, 29 sind also derart zueinander angeordnet, dass der Luftstrom 14 bei Eintritt in den Rotorraum 22 nur auf ein Rotorblatt 27, 28, 29 trifft. Die Rotorblätter 27, 28, 29 erstrecken sich dabei vom Umfang der Ummantelung 30 nach außen hin und zwar soweit, dass ein geringer Spielraum 31, 32, 33 zwischen den Rotorblättern 27, 28, 29 und den Mantelungen 23, 24 verbleibt. Dadurch, dass die Rotorblätter 27, 28, 29 direkt an der Ummantelung 30 befestigt sind, ergibt sich eine stabile Befestigung der Rotorblätter 27, 28, 29 sowie eine effektivere Kraftübertragung.
Die Rotorblätter 27, 28, 29 sind an der zylindrischen Ummantelung 30 unter einem Winkel 40, 41, 42 befestigt, der kleiner als 90° ist. Die Rotorblätter 27, 28, 29 münden also nicht senkrecht, d. h. in Richtung auf die Rotordrehachse 26, in die zylindrische Ummantelung 30 ein. Hieraus ergibt sich unter anderem eine verbesserte Kraftübertragung von den Rotorblätter 27, 28, 29 auf die Ummantelung 30. Die Höhe der vollflächigen Rotorblätter 27, 28, 29 entspricht der Höhe der Mantelungen 23, 24. Dadurch, dass die Rotorblätter 27, 28, 29 mit der Ummantelung 30 verbunden sind, wird Freiraum in unmittelbarer Umgebung der Drehachse 26 vermieden, so dass Turbulenzen im Inneren des Rotorraumes 11 vermieden bzw. reduziert werden.
Durch die in 1 gezeigte Ausführungsform wird ein Unterdruck 39 zwischen den Rotorblättern 27, 28 während der Rotation der Rotorblätter 27, 28, 29 erzeugt, der durch die Mantelung 23 begrenzt wird. Hierdurch steigt der durch die Luftströmung 14 auf die Druckseite der Rotorblätter 27, 28, 29 erzeugte Druck, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 22 in Drehrichtung 43 weiter gesteigert wird. Hierzu trägt auch bei, dass der Austrittsbereich 25 einen von der Rotordrehachse 26 ausgehenden Winkel α bis 175°, vorzugsweise bis 90°, besonders bevorzugt bis 45° aufweist.
Wie 2 zeigt, weist die Anlage 100 einen Mast 37 auf, an dem das Drehelement 36 drehbar gelagert ist. Auf dem Drehelement 36 ist wiederum der Diffusor 10 angeordnet. Durch diese drehbare Ausbildung kann der Diffusor 10 in Richtung der Windströmung ausgerichtet werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der Anlage 100 weiter signifikant erhöht.
Wie aus 3 weiter hervorgeht, kann der in 3 nicht gezeigte Diffusor 10 mehr als einen in 3 nicht gezeigten Rotor 22 aufweisen, wobei jedem Rotor ein Eintrittsbereich 12 zugeordnet ist. Die Eintrittsbereiche 12 sind vorteilhafterweise neben- und übereinander angeordnet und können wiederum Eintrittsöffnungen 38 aufweisen.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Rotorblätter. Diese Ausführungsform sieht vor, dass die dem in den Eintrittsbereich 12 eintretende Luftstrom 14 zugewandte Seite 49a, 50a, 51a der Rotorblätter 49, 50, 51 im Bereich der Verdickungen 47, die an der Ummantelung 30 befestigt sind, erste und zweite konkave Abschnitte 44, 45 aufweisen, an denen sich nach außen erstreckend der konvexe Abschnitt 46 anschließt. Mittig des konkaven Abschnitts 45, der zwischen dem ersten konkaven Abschnitt 44 und dem konvexen Abschnitt 46 angeordnet ist, läuft die Verdickung 47 spitz auf den zweiten konkaven Abschnitt 45 zu.
Bezugszeichenliste

100: Windkraftanlage
10: Diffusor
11: Rotorraum
12: Eintrittsbereich
13: Öffnung
14: Luftstrom
15: Bereich
16: Seitenfläche
17: Seitenfläche
18: Kante
19: Kante
20: Seitenfläche
21: Seitenfläche
22: Rotor
23: Mantelung
24: Mantelung
25: Austrittsbereich
26: Rotordrehachse
27: Rotorblatt
27a: Seite
28: Rotorblatt
28a: Seite
29: Rotorblatt
29a: Seite
30: Ummantelung
31: Spielraum
32: Spielraum
33: Spielraum
34: Bodenelement
35: Dachelement
36: Drehelement
37: Mast
38: Eintrittsöffnungen
39: Unterdruck
40: Winkel
41: Winkel
42: Winkel
43: Drehrichtung
44: konkaver Abschnitt
45: konkaver Abschnitt
46: konvexer Abschnitt
47: Verdickung
49: Rotorblatt
49a: Seite
50: Rotorblatt
50a: Seite
51: Rotorblatt
51a: Seite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 20207363 U [0002, 0007]

Claims

Windkraftanlage (100) mit einem einen Eintritts- und Austrittsbereich (12, 25) aufweisenden Diffusor (10), der einen Rotorraum (11) aufweist, in dem ein Rotor (22) mit Rotorblättern (27, 28, 29) angeordnet ist, wobei ein in den Eintrittsbereich (12) geleiteter Luftstrom (14) ungeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Rotorblätter (27, 28, 29) einer Rotordrehachse (26) des Rotors (22) zugeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich (12) trichterfömig ist.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (27, 28, 29) mit der Rotordrehachse (26) gekoppelt sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotordrehachse (26) vertikal angeordnet ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (27, 28, 29) an einer Rotorummantelung (30) befestigt sind, die mit der Rotordrehachse (26) gekoppelt ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (22) auf einem Drehelement (36) angeordnet ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (27, 28, 29) in Gestalt einer gewölbten Fläche ausgebildet sind.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rotorblätter (27, 28, 29) vom Umfang der Rotorummantelung (30) nach außen hin erstrecken.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Diffusors (10) in dem Eintrittsbereich (12) zum Rotorraum (11) hin abnimmt.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Rotorraums (11) den Querschnitt des Eintrittsbereichs (12) übersteigt.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (10) einen Bereich (15) konstanten Querschnitts aufweist, der sich zwischen Rotorraum (11) und Öffnung des Eintrittsbereichs (12) befindet.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (10) mehr als einen Rotor (22) enthält, wobei jedem Rotor (22) ein Eintrittsbereich (12) zugeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsbereiche (12) neben und übereinander angeordnet sind.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem in den Eintrittsbereich (12) eintretenden Luftstrom (14) zugewandte Seite (27a, 28a, 29a) des gewölbten Rotorblattes (27, 28, 29) konkav ausgebildet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Mast (37) aufweist, an dem das Drehelement (36) drehbar gelagert ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (10) beidseitig des Rotors zwischen Eintritts- und Austrittsbereich (12, 25) eine Mantelung (23, 24) aufweist
Anlage nach einem der vohergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (10) ein Boden- und Dachelement (34, 35) aufweist.
Anlage nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsbereich (25) einen von der Rotationsdrehachse (26) ausgehenden Winkel α bis 175° aufweist.
Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsbereich (25) einen Winkel α bis 90° aufweist.
Anlage nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsbereich (25) einen Winkel α bis 45° aufweist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich (12) und die Rotorblätter (27, 28, 29) derart zueinander angeordnet sind, dass der Luftstrom (14) nur auf ein Rotorblatt (27, 28, 29) trifft.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dem in den Eintrittsbereich 12 eintretenden Luftstrom 14 zugewandten Seite 49a, 50a, 51a des Rotorblattes 49, 50, 51 einen ersten konkaven Abschnitt 44 und einen zweiten konkaven Abschnitt 45 aufweist, wobei sich an dem konkaven Abschnitt 45 ein konvexer Abschnitt 46 nach außen erstreckend anschließt.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des ersten konkaven Abschnitts 44 die Rotorblätter 49, 50, 51 eine Verdickung 47 aufweisen, die an der Ummantelung 30 befestigt ist und mittig des zweiten konkaven Abschnitts 45 auf den konkaven Abschnitt 45 spitz zulaufen.
Verfahren zur Gewinnung von Windenergie, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einen Diffusor (10) geleiteter Luftstrom (14) nur auf ein einer Rotordrehachse (26) eines Rotors (22) zugeordnetes Rotorblatt (27, 28, 29) trifft.