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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur direkten Nutzung der kinetischen Energie des Windes unabhängig von der jeweils vorherrschenden Windrichtung. Die Nutzung dieser Energieform mit Hilfe von Windmühlen ist seit langem bekannt. Zur Erzeugung elektrischer Energie werden vor allem Anlagen mit horizontal ausgerichteter Rotorachse, die im wesentlichen parallel zur Hauptwindrichtung verläuft, eingesetzt. Dabei ist die theoretisch maximale nutzbare Leistung auf 59,3% der im Wind enthaltenen kinetischen Energie begrenzt. Derartige Windkraftanlagen mit ihren zur Rotorachse radial ausgerichteten Flügeln benötigen schon infolge der zur Erzielung großer Leistungen sehr großen Flügellängen eine erhebliche Bauhöhe sowie einen beträchtlichen Bauraum. Da sich weiterhin die maximal abgegebene Leistung mit zunehmender Windgeschwindigkeit in dem Bereich höherer Drehzahlen der Rotorflügel bewegt, treten infolge der großen, drehend sich bewegenden Massen und der dabei wirkenden Zentrifugalkräfte rasch Stabilitäts- und Materialprobleme auf, die den Investitionsaufwand für Windenergieanlagen mit Horizontalrotoren beträchtlich erhöhen. So beträgt beispielsweise die Masse der Rotorblätter einer der größten Offshore-Windkraftanlagen von etwa 100 m Höhe und 6 MW elektrischer Leistung zusammen mit der Nabe etwa 100 Tonnen, welche zudem in beträchtlicher Höhe bewegt werden muss. Bei konventionellen Anlagen sind also bereits den Möglichkeiten für eine weitere Leistungssteigerung allein durch Vergrößerung der wirksamen Rotorflächen sowie der Erhöhung der Rotordrehzahlen enge Grenzen gesetzt. Darüber hinaus wird solchen Anlagen wegen der Beeinträchtigung des Landschaftsbildes und infolge der Schallentwicklung vielfach mit Ablehnung begegnet.
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Die ebenfalls seit langem zum Einsatz gelangten Windkraftkon werter nach der Bauart von Widerstandsläufern verwenden Rotoren, bei denen die Rotorachse im wesentlichen vertikal zur Ebene der Hauptwindrichtung steht. Eine Bauart dieser Vertikalachsenkonverter oder Windturbinen wird beispielsweise in
WO 81/00436 beschrieben, bei welcher der Wind durch die miteinander verbundenen Schaufelblätter eines in senkrechter Stellung angeordneten Rotors nach dem Prinzip eine Wasserrades aufgefangen und der Rotor in Drehung versetzt wird. Die Luftströmung wird den Rotorblättern mittels sich geradlinig erstreckenden Führungsplatten zugeleitet, welche den Rotor in zueinander gleich bleibenden Abständen umgeben. Der Wind tritt, nachdem er die Rotorschaufeln angetrieben hat durch den Rotorinnenraum aus dem Gehäuse aus. Da der Rotor ohne Durchströmung arbeitet, ist die Effektivität der Anlage nur gering.
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Eine ähnliche Windkraftanlage wird auch in
DE 3129660 offenbart, bei der ein Rotor von einem Stator umgeben ist, der eine Vielzahl gleich beabstandeter Statorblätter aufweist, welche Kanäle aufweisen, die sich zum Rotor hin verjüngen und den Windstrom auf die Rotorblätter leiten. Auch hierbei wird die Windkraft in zu geringem Maße ausgenutzt. Windkraftanlagen mit Durchströmungsrotoren, deren Anströmung mit dem Rotor vorgesetzten Windführungselementen gesteuert wird und die auf einem Mast montiert sind, beschreiben unter anderem die Dokumente
DE 8804674 und
DE 19957141 . Allerdings unterliegen diese Anlagen in ihren Verwendungsmöglichkeiten starken Einschränkungen und sind für eine zufriedenstellende wirtschaftliche Nutzung kaum geeignet. So ist mit den aus den bekannten Lösungsvorschlägen für Windkraftanlagen und den daraus ersichtlichen Konstruktionen für Windleitelemente sowie der Anordnung und Formgebung der Rotoren und Rotorblätter eine zuverlässige und effektive Energiegewinnung nur dann zu erwarten, wenn einschränkende Betriebsbedingungen, insbesondere auch im Hinblick auf die zum Betrieb der Anlage erforderlichen Windverhältnisse eingehalten werden können. Vielfach verhindern jedoch allein schon die ungünstigen Positionierungen der Windeinleitflächen eine optimale Energieausnutzung, so dass häufig die Nutzung der Anlage bei geringer Windgeschwindigkeit nicht mehr möglich ist. Als besonders nachteilig hinsichtlich des Betriebes und der Wartung derartiger Anlagen erweist sich häufig auch deren zu komplizierte Konstruktion, insbesondere von deren beweglichen Teilen.
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Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Windkraftanlage mit einem Vertikalrotor und einer Windeinleitflächen-Konstruktion zu schaffen, die sich durch einen hohen Nutzungsgrad der jeweils zu Verfügung stehenden Windenergie auszeichnet und zugleich einen einfachen und kompakten Gesamtaufbau, vor allem des Windeinleitsystems aufweist.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe mit einer Windkraftanlage nach den Merkmalen von Anspruch 1.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in mehreren Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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die 1 von oben eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Vertikalrotors mit vorgeschaltetem Windleitsystem zur Windeinleitung,
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die 2 die Anlage nach 1 bei teilweise geschlossenem Windklappensystem,
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die 3 die Anlage nach 1 bei vollständig unterbrochener Windzuführung,
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die 4 eine weitere Ausführungsform der Windkraftanlage in Vorderansicht,
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die 5 die Anordnung nach 4 in schematischer Perspektivansicht,
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die 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage in Schnittdarstellung (Draufsicht),
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die 7 die Anordnung nach 6 in Vorderansicht,
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die 8a, b eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage (Ringführung) für ein Windfangelement in der Draufsicht und Vorderansicht und
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die 9a, b eine weitere modifizierte Ausführungsform der Anordnung nach 1 in Draufsicht und Vorderansicht.
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Die 1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine mögliche Ausführungsform für einen Vertikalrotor 1 auf einer Drehwelle 2 und mit einem vorgeschalteten Windleitsystem 3 als wesentlichen Elementen der erfindungsgemäßen Windkraftanlage. Der Rotor besitzt fünf Rotorschaufeln 4, die in radialer Ausrichtung an der Drehwelle 2 befestigt sind. Dabei sind die Rotorschaufeln so konzipiert, dass diese im wesentlichen die Druckkraft des Windes zur Energiegewinnung nutzen.
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Der Vertikalrotor 1 mit seiner senkrecht zur Hauptwindrichtung W orientierten Drehwelle 2 ist in dem im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten und an seinen vertikalen Enden verschlossen gehaltenem Teil des Rotorgehäuses 5 zentrisch angeordnet. Dieser Gehäuseteil besitzt eine Winddurchtrittsöffnung 6 sowie eine Strömungsaustrittsöffnung 7 an der gegenüberliegenden Seite und ist so ausgelegt, dass der Winddruck möglichst lange auf die Rotorschaufeln wirken kann.
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Beide Öffnungen erstrecken sich über nahezu die gesamte Rotorhöhe, unterscheiden sich darin, dass die Strömungsaustrittsöffnung in ihrem Querschnitt etwa 25 Prozent größer als die Winddurchtrittsöffnung ist.
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Dem zylindrischen Teil des Rotorgehäuses 5 ist ein horizontal ausgerichtetes Windleitsystem 3 mit seinem Windkanal 14 zur Strömungslenkung auf den Vertikalrotor 1 vorgeschaltet. Der Windkanal wird durch vertikale Seitenwände 8, 9 sowie durch zueinander parallele Boden- und Deckwände 10 und 11 gebildet, wobei die verkürzte Seitenwand 8 durch die dazu fluchtende vertikale Regelungsklappe 12 eines Windklappensystems 13 windeintrittsseitig eine Verlängerung erfährt. Der sich in Strömungsrichtung trichterförmig verengende Windkanal mit seiner von den Außenkanten der Seitenwände begrenzten Windeintrittsöffnung 15 ermöglicht eine weitgehende Ausnutzung der vorhandenen Windenergie. Mit seiner großflächigen Windeintrittsöffnung erfasst er nicht nur die Windleistung des jeweils vorherrschenden Windes in optimaler Weise und konzentriert diese gezielt auf die Rotorschaufeln 4, sondern erhöht wegen seines in Richtung Winddurchtrittsöffnung 6 geringer werdenden Strömungsquerschnittes zusätzlich die Geschwindigkeit der Luftströmung und damit auch die Umlaufgeschwindigkeit des Vertikalrotors 1.
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Die Trichterwirkung des Windkanals 14 wird für den Windstrom noch dadurch verstärkt, dass im Strömungsweg eine zwischen Windeintritts- und Winddurchtrittsöffnung positionierte und schräg in die Windströmung gestellte vertikale Windleitfläche 16 vorgesehen ist, welche wiederum im Bereich der Windeintrittsöffnung 15 mit der Seitenwand 9 unter Bildung eines spitzen Keils mit windeintrittsseitig vertikaler Kante zusammengeführt wird. Die Windleitfläche 16 hat die Aufgabe, die sich gegen die Strömungsrichtung des Vertikalrotors 1 bewegenden Rotorschaufeln 4 gegen die Windströmung abzuschirmen und außerdem den Wind auf die in Laufrichtung des Vertikalrotors sich bewegenden Rotorschaufeln zu konzentrieren. Die in das Rotorgehäuse 5 umgelenkte Windströmung gelangt nach Passieren der Winddurchtrittsöffnung 6 auf die Rotorschaufeln 4 und versetzt damit den Vertikalrotor 1 mit der Drehwelle 2 in entsprechende Rotation. Mit einer im Strömungsweg vor der Winddurchtrittsöffnung 6 angeordneten Primärluftdrosselklappe 17 lässt sich der Strömungsquerschnitt und damit die Menge der zum Vertikalrotor 1 transportierten Windluft in einfacher Weise regulieren. Die Leistungsabnahme erfolgt über einen hier nicht dargestellten elektrischen Generator, der an einem Ende der gemeinsamen Drehwelle 2 des Vertikalrotors in kraftschlüssiger Verbindung steht. Nach der Energieabgabe auf die Rotorschaufeln 4 tritt die Windströmung durch die Strömungsaustrittsöffnung 7 aus dem Rotorgehäuse 5 aus. Mit Hilfe einer Sekundärluftdrosselklappe 19 vor der Strömungsautrittsöffnung 7 kann dabei die Menge der aus dem Rotorraum austretenden Strömungsluft bei Bedarf eingeregelt werden.
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Das Windleitsystem 3 mit der Windeintrittsöffnung 15 bestimmt den maximal erfassbaren Windeinfangsbereich. Es ist zusammen mit dem Rotorgehäuse 5 um die vertikale Drehachse 2 über 360° drehbar und kann bei seiner Drehung in den Wind und bei vollständig geöffneter windseitiger Regelungsklappe 12 einen Winkelbereich beiderseits der Hauptwindrichtung von insgesamt etwa 90° erfassen und die dabei eingefangene Windluft auf die Rotorschaufeln konzentrieren. Die Regelungsklappe regelt dabei die in die Windkraftanlage einströmende Luftmenge und ist dazu – im Wesentlichen dem Querschnitt der Windeintrittsöffnung 15 angepasst und um eine Drehachse 20 schwenkbar – an der vertikalen Seitenwand 8 des Rotorgehäuses befestigt. Über die Regelung der Öffnung des Windleitsystems wird aber auch die von der Anlage abgegebene Leistung eingeregelt. Damit der im Gehäuseinneren aufgebaute Winddruck nicht wieder nach außen wirkungslos entweichen kann, besitzt die Regelungsklappe 12, angewinkelt an ihrer Ober- und Unterkante, jeweils ein Decken- und ein Bodenteil, die beide bei schrittweiser Schließung über zugeordnete Decken- und Bodenbereiche 10, 11 des Rotorgehäuses übergreifen.
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Die Regelung der einströmenden Luftmenge durch das Windleitsystem dient, abgesehen von der damit beabsichtigten Einregelung der von der Anlage abgegebenen Leistung, auch der Anpassung an jeweils vorherrschende Windverhältnisse. Somit lässt sich erreichen, dass die Anlage unter allen Windsituationen zuverlässig arbeiten kann und zum Beispiel bei Starkwinden nicht außer Betrieb gestellt werden muss, vielmehr diese Bedingungen zur Energiegewinnung voll ausnutzen kann.
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Die 1 zeigt die Stellung des Windleitsystems 3 im voll geöffneten Zustand. Dabei beaufschlagt die gesamte Frontalströmung das Windleitsystem und wird bei voll geöffneter Regelungsklappe 12, Strömungsdurchtrittsöffnung 6 sowie Strömungsaustrittsöffnung 7 durch den trichterförmigen Windkanal auf die Rotorschaufeln 4 gelenkt, die somit eine volle Leistung erbringen können. Das Windklappensystem sowie das von der Seitenwand 9 zusammen mit der Windleitfläche 16 gebildete keilförmige Gehäuseteil grenzen dabei mit ihren einander zugewandten horizontalen Außenkanten von Decken- und Bodenteilen fluchtend aneinander. Der Windkanal 14 wird somit windeintrittseitig im Wesentlichen durch die sich fast über die gesamte Höhe des Rotorraumes erstreckende vertikale Seitenwand 8 sowie die zu ihr fluchtende Regelungsklappe 12, die dazu angewinkelten Decken- und Bodenteile 10 und 11 sowie die Windleitfläche 16 festgelegt
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Aus 2 ist die Klappenstellung bei einem teilweise geschlossenen Zustand des Windleitsystems ersichtlich. Die Regelungsklappe 12 ist gegen die Hauptwindrichtung gedreht und mit ihrem Decken- und Bodenteil über Teile des entsprechenden Decken- und Bodenbereiches des Rotorgehäuses 5 geschoben. Bei teilweise geschlossener Primärluftdrosselklappe 17 und einer ebenfalls teilweise verschlossener Sekundärluftdrosselklappe 19 wird die auf die Rotorenschaufeln auftreffende Luftmenge verringert und die Rotorleistung dadurch reduziert.
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In der Klappenstellung nach 3 wird die Windzufuhr auf die Rotorblätter vollständig unterbunden. Die Regelungsklappe 12 ist gegen die Hauptwindrichtung gedreht und dabei gegen die windseitigen Außenkanten des Rotorgehäuses angelegt. Ein noch verbleibender restlicher Strömungsweg wird durch die Primärluftdrosselklappe 17 verschlossen. Die Sekundärluftdrosselklappe 19 versperrt die Strömungsaustrittsöffnung 7.
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Bei dieser Klappenstellung wird die Luftzufuhr auf die Rotorschaufeln unterbrochen und die Rotorleistung gegen Null gefahren. Diesen Betriebszustand wird man dann wählen, wenn die Anlage wegen zu geringen Leistungsbedarfs, bei Wartungsarbeiten oder zu extremen Windgeschwindigkeiten außer Betrieb ist.
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Die 4 und die 5 zeigen in einer Front- und einer Perspektivansicht in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung eine Windkraftanlage, die von in einem Kreis angeordneten Halterungssäulen 19 stabil gestützt wird. Mit der im Gehäuseteil 5 zentrisch auf einer Drehwelle 2 befestigten Rotoranordnung 1 lässt sich eine solche Anlage diese zusammen mit dem ihr vorgeschalteten Windleitsystem 3 entsprechend der jeweiligen Hauptwindrichtung bis um 360° drehen. Die Drehwelle wird an den Enden in Achslagern 23 einer Standsäule 21 sowie eines zentralen Verbindungsstückes 22 von die Halterungssäulen 19 verbindenden Streben 24 gehaltert. In der Standsäule 21 ist mit Vorteil auch die hier nicht gezeigte Stromerzeugungseinheit angeordnet.
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In 6 und 7 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Um das Rotorgehäuse 5 mit vorgeschaltetem Windleitsystem 3 ist ein konzentrischer Ring 25, bestehend aus acht kreissegmentförmig ausgebildeten zusätzlichen Windeinfangelementen 26 gelegt. Jedes dieser für den Winddurchtritt offenen Elemente wird von vier Seitenwänden gebildet, die jeweils einen radial zum Ringzentrum hin sich verengenden Windtrichter ergeben. Durch im Innenring verlaufende radiale Querstreben 24 wird der aus den Windfangelementen mit Windeintritts- und Windaustrittsflächen 26, 27 bestehende Ring 25 stabilisiert, so dass Halterungssäulen zur Stabilitässicherung der Gesamtanlage nicht erforderlich sind. Im zentralen Verbindungsstück der Querstreben 20 wird wiederum die Drehwelle 2 für den Vertikalrotor und das Rotorgehäuse axial gelagert. Je nach Lage der Hauptwindrichtung werden das Rotorgehäuse mit dem vorgeschalteten Windleitsystem mit den so in die richtungsentsprechende Position gedreht, dass zum effektiven Betrieb der Anlage die strömungswirksamen Öffnungsquerschnitte jedes der Windfangelemente und des zugehörigen Windkanals 14 deckungsgleich gegenüberliegen. Die weiteren Arbeitsschritte entsprechen denen des Ausführungsbeispiels nach 1 bis 3.
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Von den vorstehenden Ausführungsbeispielen unterscheidet sich die Anlage vorteilhaft durch eine wesentlich größere Windfangfläche und die höhere Konzentrierung der Strömungsluft. auf die Rotorschaufeln somit durch eine verbesserte wirtschaftliche Effizienz.
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Eine nochmalige Vergrößerung der Windeinfangfläche ergibt sich aus der Anordnung nach 8a, b. Hierbei bewegt sich ein zusätzliches Windeinfangelement 29 umfänglich auf einer Kreisbahn über 360°, gebildet durch eine innere und eine äußere Führungsschiene 30; 31, welche konzentrisch um die Ringvorrichtung 25 mit Windfangelementen 26, gemäß 6 und 7, gelegt sind. Je nach vorherrschender Windrichtung wird das Windfangelement 29 in die entsprechende Position auf dem Kreisring gebracht, wobei es einen, den Windfangelementen 26 deckungsgleich gegenüberliegend, Trichter für die auftreffende Windluft ergibt, dessen Eintrittsöffnung aber nochmals wesentlich vergrößert ist. Bei einem wirksamen Querschnitt für die Lufteintrittsfläche in den Rotorraum von 1 m2 kann mit der Anordnung nach 8a, b eine zugehörige Windauffangfläche von 60 m2 erreicht werden.
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In ähnlicher Weise kann jedoch auch das Windleitsystem 3 nach 1 und 2 in vergrößerter Abmessung zum Einsatz gelangen (9), welches windeingangsseitig aus Gründen der mechanischen Stabilität und der besseren Lastverteilung auf einer zur Drehachse koaxialen Ringhalterung 32 mit einer darin eingelassenen Führungsschiene 31 geführt wird. Je größer der Durchmesser dieser Ringhalterung bei ausreichend stabiler Ausführung bemessen wird, desto höher kann auch die Bauhöhe der Anlage gewählt werden.
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Es bleibt darauf hinzuweisen, dass die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele mit ihrem vergleichsweise einfachen und Kosten sparendem Aufbau bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad und breitem Anwendungsbereich die Erfindung nicht beschränken sollen. Es sind vielmehr auch andere nicht genannte technische Ausführungen, die im Rahmen dieser Erfindung liegen, durchaus möglich. So ist beispielsweise auch eine Kopplung einer der hier beschriebenen Anlagen mit Vertikalrotor mit einer etagenweise übereinander angeordneten Vorrichtung mit einem Horizontalrotor durchaus ausführbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 81/00436 [0002]
- DE 3129660 [0003]
- DE 8804674 [0003]
- DE 19957141 [0003]
