DE102011014476A1 - Windturbine - Google Patents

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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Abstract

Eine Windturbine (1) mit wenigstens einem Rotor (3), der um eine vertikal orientierte Rotorachse (4) rotierbar ist, weist eine Windleitvorrichtung (6) auf, deren Windsammelfläche (8) wenigstens doppelt so groß ist, wie die dem Wind zugewandte Rotor-Nutzfläche. Die Turbine (1) weist weiterhin Windleitbleche (9) auf, die den Luftstrom wenigstens teilweise so umlenken, dass er auf etwa 270° der Umfangsfläche des Rotors (3) trifft.

Description

  • Die Erfindung beschreibt eine Windturbine, insbesondere zum Antreiben eines Stromgenerators, mit wenigstens einem Rotor, der sich um eine vertikale Rotorachse dreht.
  • Windenergie und deren Nutzung zur Stromerzeugung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Bekannte Windturbinen haben in der Regel einen 3-Blatt-Propeller, dessen Welle horizontal parallel zur Windrichtung liegt. Der Propeller steht dabei mit seiner gesamten Fläche im Wind.
  • Die Welle eines Savonius-Rotors steht dagegen vertikal senkrecht zum Wind. Der Savonius-Rotor hat ebenfalls beispielsweise drei Schaufeln, die etwa wie bei einem Wasserrad angeordnet sind. Der Wind trifft hier jeweils nur auf eine Schaufel des Rotors, wodurch dieser in Drehung versetzt wird. Nachteilig dabei ist, dass der Wind auch auf die Rückseite einer anderen, herannahenden Schaufel trifft und die Drehung dadurch auch abgebremst wird. Der Wirkungsgrad eines Savonius-Rotors ist daher wesentlich geringer und liegt prinzipbedingt nur bei etwa 18%–24% gegenüber 44%–50% bei einer Horizontal-Turbine.
  • Dennoch bietet ein Savonius-Rotor Vorteile gegenüber einer Horizontal-Turbine. So ist beispielsweise der Wartungsaufwand wesentlich geringer und es ist ein Betrieb bei sehr großen Windgeschwindigkeiten möglich, bei denen die Ausbeute besonders hoch ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Windturbine der vorgenannten Art zu schaffen, die einen wesentlich besseren Wirkungsgrad bei der Nutzung der Windenergie aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Windturbine eine Windleitvorrichtung aufweist, deren Windsammelfläche mehr als doppelt so groß ist, wie die dem Wind zugewandte Rotor-Nutzfläche und dass die Windleitvorrichtung mehrere Windleitbleche hat, die den Wind so umlenken, dass er auf mehr als 90° des Rotor-Umfangs auf jeweils zumindest einen Rotor trifft.
  • Normalerweise trifft der Wind frontal auf den Rotor, wobei etwa 90° vom Umfang aktiv zum Antrieb des Rotors nutzbar sind. Daneben wirkt der Wind bereits bremsend auf die herannahenden Rotor-Schaufeln. Dabei ist die aktive, dem Wind zugewandte Nutzfläche des Rotors dieser 90° breite Ausschnitt des Umfangs.
  • Die Windleitvorrichtung ist nun wie eine Art Trichter dem Rotor vorgeschaltet, wodurch die aktive Nutzfläche des Rotors um mehr als das Doppelte vergrößert wird. Dadurch wird bereits wesentlich mehr Luft in den Rotor geleitet, die zum Antreiben des Rotors zur Verfügung steht.
  • Darüber hinaus lenken die Windleitbleche den anströmenden Wind innerhalb der Windleitvorrichtung teilweise so um, dass Luft neben der Windrichtung zusätzlich in einem Winkel zur Windrichtung auf den Rotor trifft. Dadurch wird die aktive Fläche des Rotors, auf der der Wind wirkungsvoll nutzbar ist, wesentlich vergrößert. So erfolgt auch außerhalb des 90° Umfangs-Bereichs eine Nutzung des Luftstromes, ohne dass eine bremsende Wirkung auf die herannahenden Rotor-Schaufeln erfolgt.
  • Durch diese beiden Maßnahmen kann eine Steigerung des Wirkungsgrades um etwa 80% erfolgen, so dass der Gesamtwirkungsgrad bereits nahe an den einer Horizontalturbine heranreicht.
  • Die optimale Ausbeute wird erzielt, wenn die Windleitbleche den Wind so umlenken, dass er über einen zusammenhängenden Umfangswinkel von maximal 270° Grad auf den Rotor trifft.
  • Trotz der Luftzuleitung über die Windleitbleche, gibt es Rotor-Positionen, in denen die anströmende Luft auf die Rückseite der herannahenden Rotor-Schaufel trifft. Dabei wird der Luftstrom gestoppt und durch die Drehung des Rotors gegen den Zustrom komprimiert. Ist die Rotor-Schaufel dann so weit weitergedreht, dass die gestaute Luft in die Schaufel-Öffnung gelangt, erfolgt dies mit großen Turbulenzen. Dadurch gehen etwa 12% bis 16% des Energieeintrags verloren.
  • In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Windleitvorrichtung eine Entwirbelungszone auf, in der die anströmende Luft staufrei und ohne Druckaufbau aus der Windleitvorrichtung geführt wird.
  • Dabei erstreckt sich die Entwirbelungszone vorzugsweise über den gesamten windbeaufschlagten Umfangswinkel des Rotors.
  • Diese Entwirbelungszone bewirkt nun, dass die Luft in der Phase der herannahenden Rotor-Schaufel durch mehrere Öffnungen aus der Windleitvorrichtung entweichen kann. Dadurch wird ein Rückstau verhindert und der Rotor kann ungehindert weiterdrehen. Beim Erreichen der nächsten Schaufel-Öffnung des Rotors wird die wenigstens eine Öffnung in der Entwirbelungszone geschlossen, so dass der volle Luftstrom nun linear auf die Rotor-Schaufel trifft. Verwirbelungen und Turbulenzen unterbleiben, der Wirkungsgrad steigt.
  • In einer vorteilhaften Ausführung weist die Windleitvorrichtung in der Entwirbelungszone mehrere Ausweichöffnungen auf, durch die die Luft ausleitbar ist und deren Öffnungsgröße vorzugsweise veränderbar ist.
  • Damit die erfindungsgemäße Windturbine auch bei wechselnden Windrichtungen den maximalen Ertrag liefert, ist es vorteilhaft, wenn die Windleitvorrichtung Mittel aufweist, die eine Ausrichtung in Windrichtung ermöglichen.
  • Dazu ist die Windleitvorrichtung vorzugsweise um den Rotor drehbar gelagert und weist eine Windfahne auf, die eine Selbstausrichtung der Windleitvorrichtung in Windrichtung ermöglicht.
  • Um die Leistung der Turbine auf einfache Weise zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn auf einer gemeinsamen Rotor-Hauptachse zumindest zwei Rotoren übereinander angeordnet sind und die Rotor-Schaufeln gegeneinander versetzt sind. Dabei sind die Rotoren vorzugsweise so angeordnet, dass die Schaufeln der Rotoren jeweils um 60° gegenüber den anderen Rotoren versetzt sind, damit der Windeinfluss auf die Rotoren ausgeglichener ist.
  • Eine drehende Savonius-Turbine erzeugt eventuell Vibrationen, die über die Rotor-Hauptachse auf den Bau-Untergrund übertragen werden. Ist die Turbine beispielsweise auf einem Gebäude montiert, können die Vibrationen eventuell Schäden an dem Gebäude verursachen. Darüber hinaus kann unerwünschter Lärm entstehen. Um solchen Vibrationen entgegenzuwirken, kann die Windturbine wenigstens zwei gegenläufig drehende Rotoren aufweisen. Dadurch heben sich eventuelle Unwuchten der beiden Rotoren auf, so dass weniger oder gar keine Vibrationen erzeugt werden. Somit ist auch die Nutzung auf Gebäuden sicher möglich.
  • Bei dauerhaft hohen Windgeschwindigkeiten wird eine Horizontalturbine aus dem Wind gedreht, um Beschädigungen zu vermeiden. Bei einem Savonius-Rotor ist dies nicht erforderlich. Um die erfindungsgemäße Windturbine gegenüber Starkwind und Windböen zu schützen, weist die erfindungsgemäße Windleitvorrichtung vorzugsweise mehrere Sicherheitsklappen auf, die in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit öffenbar und schließbar sind, um eine Beschädigung der Windleitvorrichtung zu vermeiden. Diese Sicherheitsklappen sind in der Außenwand der Windleitvorrichtung und den Windleitblechen so angeordnet, dass bei geöffneten Klappen ein möglichst gerader Weg für den Wind durch die Windleitvorrichtung entsteht. Somit wird die Angriffsfläche für den Starkwind auf die Windleitvorrichtung minimiert und eine Beschädigung verhindert. Der Wind trifft dabei weiterhin auf den Rotor, der dadurch mit dem normalen Wirkungsgrad weiterarbeitet.
  • Eine zusätzliche Steigerung des Ertrags ist möglich, indem am Windausgang des Rotors ein sich in Durchströmrichtung erweiternder Ausströmtrichter zur Erhöhung der Ausströmgeschwindigkeit der Luft angeordnet ist. Die an dem Ausströmtrichter außen vorbeiströmende Luft ist gegenüber der innen strömenden Luft schneller, so dass am Trichterende die außen strömende Luft im Trichter einen Sog bewirkt, der die Luft aus dem Trichter heraus beschleunigt. Dadurch entsteht im Trichter ein Unterdruck, der den Luftstrom durch die Turbine um etwa 8% bis 12% beschleunigt, also Drehzahl und Drehmoment entsprechend erhöht.
  • Die erfindungsgemäße Windturbine kann vorzugsweise zum Antrieb eines Stromgenerators verwendet werden. Es sind jedoch auch andere Anwendungen denkbar.
  • Die Drehzahl des Rotors ist direkt von der Windgeschwindigkeit abhängig. Bei sehr hohen Drehzahlen steigt jedoch der Verschleiß. Daher ist es zweckmäßig, wenn der Stromgenerator mit einem Mehrfeldgenerator ausgestattet ist, der in Abhängigkeit von der Drehzahl der Windturbine Generatorfelder hinzu- oder abschaltet, um die Drehzahl der Windturbine in definierten Bereichen zu halten.
  • Solche Mehrfeldgeneratoren weisen einzelne Generatorfelder auf, die einzeln hinzu- oder abgeschaltet werden können. Bei hohen Drehzahlen kann durch Hinzuschalten eines oder mehrerer Generatorfelder der Widerstand erhöht und damit die Drehzahl reduziert werden. Durch geschicktes Zu- und Abschalten der Generatorfelder wird so die Drehzahl des Rotors in einem definierten und verschleißreduzierten Bereich gehalten, in dem ein optimaler Betrieb möglich ist. Damit wird der Verschleiß und der Wartungsaufwand minimiert.
  • Bei sehr geringen Drehzahlen werden vorzugsweise alle Generatorfelder abgeschaltet, so dass ein lastfreier Lauf möglich ist, bis erneut stärkere Luftströmungen auftreten und ohne Verzögerungen geerntet werden können.
  • Der Rotor weist beispielsweise eine optimale Drehzahl von 60 bis 120 Umdrehungen pro Minute (rpm) auf. Steigt die Drehzahl auf über 120 rpm an, wird jeweils ein Generatorfeld hinzugeschaltet, wodurch die Drehzahl wieder auf minimal 60 rpm abfällt. Analog wird bei abflachendem Wind und einer Verringerung der Drehzahl unter 60 rpm jeweils ein Generatorfeld abgeschaltet.
  • Der Rotor beginnt in der geringsten Laststufe des Generators bereits ab 2 m/s zu drehen. Die Windernte beginnt damit bereits bei wesentlich geringeren Windstärken als dies bei horizontalen Anlagen der Fall ist. Weiterhin ist der Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine durch die Sicherheitsklappen bei allen Windstärken möglich, ohne dass eine Sicherheitsabschaltung der Turbine erforderlich wäre. Insbesondere muss der Rotor nicht bereits ab 22 m/s abgeschaltet werden, wie dies bei horizontalen Turbinen der Fall ist.
  • Es kann hier also auch bei extremem Starkwind bis zum Orkan weiter Strom gewonnen werden, wodurch der Ertrag wesentlich erhöht wird.
  • Die Erfindung ist bauartbedingt hauptsächlich für Rotordurchmesser zwischen 4,5 m und 24 m geeignet, wobei sie nicht auf diese Turbinen-Größen beschränkt ist.
  • Um die Stromausbeute zu erhöhen, kann der erfindungsgemäße Stromgenerator wenigstens ein vorzugsweise selbstnachführendes Photovoltaikmodul aufweisen. Der Solarstrom kann zusammen mit dem Windstrom in das Stromnetz eingespeist werden, wobei die gleiche Stromeinspeise-Vorrichtung benutzt werden kann. Es fallen daher keine weiteren Anschluss- und Einspeisekosten für die Module an.
  • Der erfindungsgemäße Stromgenerator ermöglicht eine zuverlässige Stromerzeugung bei fast jeder Witterung, weshalb er insbesondere für kommerzielle Anwender interessant ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat die erfindungsgemäße Windturbine einen Mast oder Pylon, der wenigstens einen Regenwassersammelbehälter aufweist. Der Sammelbehälter ermöglicht das Auffangen und Speichern von Regenwasser zur späteren Nutzung beispielsweise zur Bewässerung von Grünanlagen oder zu Reinigungszwecken. Der Sammelbehälter kann beispielsweise wenigstens teilweise im Mast oder Pylon angeordnet sein, der als Basis zur Montage der Windturbine dient.
  • In Regionen mit Winterfrost kann es zusätzlich sinnvoll sein, wenn der Regenwassersammelbehälter eine mit dem Generatorstrom betriebene Heizeinrichtung aufweist, die ein Einfrieren des Wassers in dem wenigstens einen Sammelbehälter verhindert.
  • Der Regenwassersammelbehälter kann zudem eine Notentleerung aufweisen, die bei sehr kalten Temperaturen bei nicht ausreichender Heizleistung öffenbar ist. Dadurch kann der Sammelbehälter vollständig entleert werden, bevor das darin befindliche Wasser einfriert.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 eine perspektivische Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Windturbine,
  • 2 eine perspektivische Rückansicht der erfindungsgemäßen Windturbine,
  • 3 einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Windturbine,
  • 4 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Windturbine,
  • 5 eine Draufsicht einer Weiterbildung der Windturbine mit geöffneten Sicherheitsklappen,
  • 6 eine schematische Draufsicht eines zweistufigen Rotors,
  • 7 eine Schrägansicht eines zweistufigen Rotors,
  • 8 eine Schrägansicht eines dreistufigen Rotors,
  • 9 eine Explosionszeichnung einer erfindungsgemäßen Windturbine mit einem dreistufigen Rotor und
  • 10 eine erfindungsgemäße Windturbine mit einer Regenwassersammeleinrichtung.
  • Die 1 zeigt eine perspektivische Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Windturbine 1. Die Windturbine 1 ist an einem Mast 2 oder einem Pylon befestigt. Die Höhe des Masts 2 ist an den Aufstellungsort angepasst und kann bis maximal 80 Meter betragen.
  • Die erfindungsgemäße Turbine 1 kann beispielsweise mit einem kurzen Mast auf einem Gebäudedach oder an einem hohen Mast auf einem Parkplatz montiert werden, wobei der Aufstellungsort unabhängig von dieser Aufzählung völlig frei wählbar ist. Die Windturbine 1 weist zwei drehfest miteinander verbundene Rotoren 3 auf, die jeweils um 60° gegeneinander auf einer gemeinsamen, in vertikaler Richtung orientierten Rotor-Hauptachse, Welle 4 versetzt angeordnet sind. Jeder Rotor hat drei Rotor-Schaufeln 5 (7).
  • Die Rotorschaufeln 5 der einzelnen Rotoren 3 oder Rotor-Stufen sind jeweils durch eine Trennscheibe 21 winddicht voneinander getrennt.
  • Da die Rotoren 3 gegeneinander versetzt sind, greift der Wind zeitlich versetzt an den einzelnen Rotor-Schaufeln 5 an. Die Windturbine 1 läuft dadurch gleichmäßiger auch bei Windböen. Die Lärmbelästigung und mechanische Beanspruchung des Masts und des Fundaments sind dadurch geringer.
  • Die hier gezeigte Ausführung weist einen zweistufigen Rotor 3 auf. Das Windrad kann jedoch auch einen mehrstufigen, insbesondere einen dreistufigen Rotor 3 aufweisen, wie er beispielhaft in 8 gezeigt ist. Auch hier sind die Rotor-Schaufeln der einzelnen Rotoren jeweils gegeneinander versetzt angeordnet. Die Winkel sind hierbei jedoch jeweils geringer als 60° oder unterschiedlich groß, so dass die Rotor-Schaufeln des ersten Rotors nicht mit den Schaufeln des dritten Rotors fluchten.
  • Mit dieser, vorzugsweise auch modular ausgestalteten Bauweise kann die Turbinenleistung um maximal 300% gesteigert werden. Die Gesamt-Bauhöhe der Rotoren mit zwei oder drei Rotor-Stufen ist entsprechend der zusätzlichen Stufen erhöht, da diese – entsprechend einem Baukastensystem – einfach aufsetzbar sind. Der Rotor kann selbstverständlich auch nur eine oder mehr als drei Rotor-Stufen aufweisen.
  • Die Windturbine 1 weist am Windeingang 12 eine Windleitvorrichtung 6 auf, die den Wind über eine große Fläche einsammelt und dem Rotor 3 innerhalb der Turbine 1 zuführt. Dabei ist die Windsammelfläche der Eingangsöffnung 8 der Windleitvorrichtung 6 mindestens doppelt so groß, wie die dem Wind zugewandte aktive Nutzfläche des Rotors 3. Das heißt, dass wesentlich mehr Wind zum Rotor 3 gelangt und dort zum Antrieb des Rotors 3 zur Verfügung steht. Allein dadurch wird bereits eine drastische Wirkungsgradsteigerung erzielt
  • Die Windleitvorrichtung 6 ist auf der Rotor-Welle 4 drehbar gelagert. Durch eine an der Windleitvorrichtung 6 befestigte Windfahne 7 erfolgt durch den Wind eine automatische Ausrichtung der Windleitvorrichtung 6 in Windrichtung Pf1, so dass zu jeder Zeit eine optimale Windausbeute erzielt wird.
  • Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades wird durch die etwa vertikal orientierten Windleitbleche 9 der Windleitvorrichtung 6 erzielt, wie sie beispielsweise in 4 angedeutet sind. Diese sind so geformt, dass der Wind teilweise so umgelenkt wird, dass er über einen großen Umfangsbereich am Rotor 3 angreift. An den äußeren Windleitblechen 9 der Windleitvorrichtung 6 wird der Wind dabei jeweils um bis zu 90° auf den Rotor 3 umgelenkt. Im Inneren der Windleitvorrichtung 6 sind ebenfalls zwei oder mehrere Windleitbleche 9 angeordnet.
  • Insgesamt wird die nutzbare Angriffsfläche am Rotor 3 dadurch auf maximal 270° des Rotor-Umfangs erweitert, ohne dass durch seitlich auftreffenden Wind Abbrems-Effekte am Rotor 3 auftreten.
  • Am Windausgang 10 der Windturbine 1 ist zusätzlich ein Ausströmtrichter 11 angeordnet (2), der sich in Durchströmrichtung erweitert. Die außen am Trichter 11 vorbeiströmende Luft ist schneller, als die innen durch die Turbine 1 strömende Luft. Durch die schnellere Luft entsteht am Trichterende 13 ein Unterdruck im Trichter 11, der eine Sogwirkung auf die Luft im Trichter 11 bewirkt. Die Luft wird dadurch praktisch aus der Turbine 1 heraus gesaugt, wodurch eine Beschleunigung der durch die Turbine 1 strömenden Luft erzielt wird. Durch die schneller strömende Luft werden eine Steigerung der Ausbeute der Turbine 1 und ein besserer Wirkungsgrad erzielt.
  • Insgesamt ist die Windturbine 1, insbesondere die Windleitvorrichtung 6, etwa wie ein Mantarochen geformt. Dabei ist diese bionische Form besonders strömungsgünstig und sorgt dafür, dass einerseits möglichst viel Luft in den Rotor geleitet wird und dass andererseits die außen vorbeiströmende Luft schneller ist, so dass am Trichter-Ausgang 13 ein Unterdruck entstehen kann.
  • Durch die Wind-Zuführung auf maximal 270° der Umfangsfläche anstatt nur 90° ist der Wirkungsgrad schon erheblich gesteigert. Dennoch gibt es Rotorpositionen, in denen die anströmende Luft auf die Rückseite einer Rotor-Schaufel 5 trifft und diese damit abbremst und die Luft entgegen der Windrichtung Pf1 verdichtet. In der Windleitvorrichtung 6 wird dadurch ein Staudruck erzeugt, der im Rotor 3 zu starken Verwirbelungen führt, was den Wirkungsgrad reduziert.
  • Aus diesem Grund weist die Windleitvorrichtung 6 eine Entwirbelungszone 14 auf, die das Entstehen solcher Wirbel verhindert. Dazu sind an der Oberseite 15 und Unterseite 16 der Windleitvorrichtung 6 viele kleine Entwirbelungsöffnungen 17 angeordnet. Die Entwirbelungsöffnungen 17 sind in Form eines Bandes entlang des zum Rotor 3 offenen Umfangs verteilt. Die Entwirbelungsöffnungen 17 sind hier dabei durch eine Schiebermechanik (nicht gezeigt) oder andere Mittel stufenlos öffen- und schließbar. In der Situation einer herannahenden Rotor-Schaufel 5 werden die Entwirbelungsöffnungen 17 in der Entwirbelungszone 14 geöffnet. Die anströmende Luft entweicht dabei ungehindert durch die Entwirbelungsöffnungen 17, so dass kein Rückstau in der Windleitvorrichtung 6 und kein Abbremsendes Rotors 3 auftritt. Dadurch entfällt die schädliche Verwirbelung im Rotor 3.
  • Ist der Rotor 3 in einer Stellung, in der die Luft wirksam auf die Rotor-Schaufel 5 trifft, werden die Entwirbelungsöffnungen 17 der Entwirbelungszone 14 geschlossen, so dass die Luft mit voller Stärke auf den Rotor 3 trifft.
  • Die Schieber (nicht gezeigt) zum Öffnen und Schließen der Entwirbelungsöffnungen 17 können beispielsweise mechanisch an den Rotor 3 gekoppelt sein, so dass immer die zur Rotorstellung passende Öffnung anliegt. Alternativ können die Schieber auch elektrisch angetrieben sein. Es kann jedoch auch ein ganz anderer Steuer-Mechanismus für die Entwirbelungsöffnungen 17 vorgesehen sein, wobei die Erfindung nicht auf ein bestimmtes Mittel beschränkt sein, sondern der Turbinengröße entsprechend funktionieren soll.
  • In 3 ist ein Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Windleitvorrichtung gezeigt. Hier ist die Anordnung von zwei gegeneinander versetzten Rotoren 3 und die drehbare Aufhängung der Windleitvorrichtung 6 zu erkennen.
  • Eine Hülse 18, die drehbar auf der Rotor-Welle 4 gelagert ist, ist durch Streben 19 mit der Unterseite 16 der Windleitvorrichtung 6 fest verbunden.
  • In 6 ist ebenfalls die versetzte Anordnung der einzelnen Schaufeln 5 der beiden Rotoren 3 zu sehen. Jeder Rotor hat drei Schaufeln, die regelmäßig um 120° versetzt sind. Die Schaufeln des ersten Rotors sind jeweils um 60° gegenüber den Schaufeln des zweiten Rotors versetzt. Die Rotorschaufeln 5 sind im Beispiel aus einer Art Wellblech gebildet, wodurch die Schaufeln 5 keine glatten Oberflächen aufweisen. Dadurch vergrößert sich die Angriffsfläche für den Wind, so dass die Windkraft effektiver genutzt wird und die Stabilität der Schaufeln wird vergrößert.
  • Die einzelnen Rotor-Schaufeln 5 sind im wesentlichen L-förmig ausgebildet, wobei die beiden L-Schenkel 22 und 24 durch einen etwa 90° umfassenden konkaven Kreisbogen 23 verbunden sind. Der kürzere Schenkel 22 beginnt jeweils am Umfang des Rotors 3. Die Rotor-Schaufeln 5 können jedoch auch anders geformt sein, wobei jeweils wenigstens ein außenliegender Schaufelteilbereich konkav gebogen ist.
  • Die 5 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung. Die Windleitvorrichtung 6 hat erfindungsgemäß eine sehr große Windsammelöffnung 8. Bei sehr starkem Wind oder Sturm ist daher der Winddruck auf die Windleitvorrichtung 6 sehr groß, mitunter zu groß, so dass die Gefahr besteht, dass die Windleitvorrichtung 6 beschädigt wird. Nun kann die Windleitvorrichtung 6 nicht einfach aus dem Wind gedreht werden, wie dies bei herkömmlichen 3-Blatt-Propellern der Fall ist. Um die Windleitvorrichtung 6 vor Beschädigung durch Starkwind zu schützen, weisen die Windleitbleche 9 mehrere Sicherheitsklappen 20 auf.
  • Die Sicherheitsklappen 20 werden bei starkem Wind geöffnet, so dass der Wind nahezu ungehindert auf geradem Weg durch die Windleitvorrichtung 6 hindurch strömen kann. Die Angriffsfläche im Wind wird somit minimiert. Der Rotor 3 selbst bleibt hingegen aktiv und die Turbine arbeitet mit der ursprünglichen Effizienz seines Rotors 3 weiter. Zwar ist der Winddruck unter diesen Umständen sehr groß, aber die Turbine 1 kann bei sehr starkem Wind oder Sturm weiterlaufen, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber 3-Blatt-Propellern bedeutet.
  • Die Sicherheitsklappen 20 können durch einfache Federn (nicht gezeigt) gehalten sein, wobei die Federkraft auf die gewünschte Auslöse-Windgeschwindigkeit angepasst ist. Somit wird eine automatische Öffnung der Klappen erzielt, sobald der Winddruck größer ist, als die gewählte Federkraft. Selbstverständlich können die Sicherheitsklappen 20 auch aktiv, beispielsweise elektromotorisch, oder durch andere passive Mittel gesteuert sein. Auch hier hat die Art der Klappenssteuerung keinen Einfluss auf die Erfindung.
  • Eine erfindungsgemäße Windturbine kann in einer Windkraftanlage verwendet werden, die nahezu unabhängig von Windgeschwindigkeit und Wetter praktisch ununterbrochen Strom erzeugen kann. Dazu kann die Windkraftanlage beispielsweise einen weiter oben beschriebenen Mehrfeldgenerator aufweise. Die Windkraftanlage kann dabei alle beschriebenen Merkmale der erfindungsgemäßen Windturbine einzeln oder in beliebiger Kombination aufweisen.
  • Eine solche Windkraftanlage ist insbesondere für Industriebetriebe oder gewerbliche Anwender interessant, wobei der erzeugte Strom vorzugsweise direkt verbraucht oder gespeichert wird, ohne ihn in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Dabei kann der Windgenerator zusätzlich mit einer Photovoltaikanlage und/oder einer Regenwassersammeleinrichtung, wie oben beschrieben, ausgerüstet oder erweitert werden.
  • Eine solche Regenwassersammeleinrichtung ist beispielsweise in der Ausführung der 10 gezeigt. Dazu ist an der Oberseite 15 der Windleitvorrichtung 6 eine Kante 25 angeordnet, die mit dem schrägen Vorderteil der Oberseite 15 ein Sammelreservoir 26 bildet, in dem Regenwasser gesammelt wird. Die Oberseite 15 hat eine Abflussöffnung 27, durch die das gesammelte Wasser in einen Sammelbehälter (nicht gezeigt) abfließen kann.

Claims (22)

  1. Windturbine, insbesondere zum Antreiben eines Stromgenerators, mit wenigstens einem Rotor (3), der um eine vertikal orientierte Rotorachse rotierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine (1) eine Windleitvorrichtung (6) aufweist, deren Windsammelöffnung (8) mehr als doppelt so groß ist, wie die dem Wind zugewandte Rotor-Nutzfläche und dass die Windleitvorrichtung (6) mehrere Windleitbleche (9) hat, die den Wind wenigstens teilweise so umlenken, dass er auf mehr als 90° des Rotor-Umfangs auf den zumindest einen Rotor (3) trifft.
  2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitbleche (9) den Wind so umlenken, dass er über einen zusammenhängenden Umfangswinkel von 240° Grad auf den Rotor (3) trifft.
  3. Windturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitvorrichtung (6) eine Entwirbelungszone (14) aufweist, in der die anströmende Luft staufrei und ohne Druckaufbau aus der Windleitvorrichtung (6) leitbar ist.
  4. Windturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitvorrichtung (6) in der Entwirbelungszone (14) mehrere Entwirbelungsöffnungen (17) aufweist, durch die die Luft aus der Windleitvorrichtung (6) ausleitbar ist und deren Öffnungsfläche veränderbar ist.
  5. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitvorrichtung (6) drehbar gelagert ist und Mittel aufweist, die eine Ausrichtung in Windrichtung (Pf1) ermöglicht.
  6. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitvorrichtung (6) eine Windfahne (7) aufweist, durch die sich die Windleitvorrichtung (6) im Wind selbst ausrichtet.
  7. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Rotoren (3) auf einer gemeinsamen Rotor-Hauptachse (4) gestapelt angeordnet sind, deren Rotor-Schaufeln (5) gegeneinander verdreht sind.
  8. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine (1) wenigstens zwei gegenläufig drehende Rotoren (3) aufweist.
  9. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitvorrichtung (6) mehrere Sicherheitsklappen (20) aufweist, die in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit öffenbar und schließbar sind, um eine Beschädigung der Windleitvorrichtung (6) zu vermeiden.
  10. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Windausgang (10) der Windturbine (1) ein sich in Durchströmrichtung erweiternder Ausströmtrichter (11) zur Erhöhung der Ausströmgeschwindigkeit der Luft angeordnet ist.
  11. Windturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die mit einem Generator in Antriebsverbindung steht.
  12. Windturbine nach Anspruch 11, mit einem als Mehrfeldgenerator ausgestalteten Stromgenerator, der in Abhängigkeit von der Drehzahl der Windturbine Generatorfelder hinzu- oder abschaltet, um die Drehzahl der Windturbine in einem definierten Bereich zu halten.
  13. Windturbine nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Windturbine wenigstens ein Photovoltaik-Modul aufweist.
  14. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine einen Pylon einen Mast hat, der zumindest einen Regenwassersammelbehälter zum Sammeln des Regenwassers aufweist.
  15. Windturbine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Regenwassersammelbehälter eine mit dem Generatorstrom betriebene Heizeinrichtung aufweist, die ein Einfrieren des Wassers im Sammelbehälter verhindert.
  16. Windturbine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenwassersammelbehälter eine Notentleerung aufweist, die bei sehr kalten Temperaturen bei nicht ausreichender Heizleistung öffenbar ist, um ein Einfrieren des Wassers zu verhindern.
  17. Windkraftanlage mit zumindest einem, um eine vertikal orientierte Rotationsachse rotierbaren Rotor (3), der Rotorschaufeln (5) hat, die zumindest in einem außenliegenden Schaufelteilbereich konkav gebogen sind, sowie mit vertikal orientierten Windleitflächen (9), die von außen derart in Richtung zu dem zumindest einen Rotor (3) gebogen sind, dass die in Rotationsrichtung vordere Seitenwand (28) die an dieser Seitenwand entlangströmende Teilmenge des Windes in den konkav gebogenen Schaufelbereich (23) einer sich an dieser Seitenwand (28) vorbeidrehenden Rotorschaufel (5) leitet und die in Rotationsrichtung hintere Seitenwand (29) die an ihr entlangströmende Teilmenge des Windes in einen mit Abstand hinter der Rotationsachse (4) liegenden Bereich des Rotors (3) umlenkt.
  18. Windkraftanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitflächen (9) den anströmenden Wind derart in Richtung zu dem zumindest einen Rotor (3) umlenken, dass der anströmende Wind auf etwa 270° des Rotorumfangs des zumindest einen Rotors (3) trifft.
  19. Windkraftanlage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitflächen (9) in der Rotationsachse (4) des zumindest einen Rotors (3) um diesen drehbar gelagert sind.
  20. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Windleitflächen (9) mit einer Windfahne (7) verbunden sind, welche die Windleitflächen (9) in die Windrichtung dreht.
  21. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rotor (3) eine trichterförmige Windleitvorrichtung (6) vorgeschaltet ist, deren seitliche Wandabschnitte durch zwei vertikal orientierte Windleitflächen (9) gebildet sind und dass die vertikal orientierten Seitenwände (9) über vorzugsweise horizontal orientierte Verbindungswände (15, 16) miteinander verbunden sind.
  22. Windkraftanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikal orientierten Seitenwände (9) und die horizontal orientierten Verbindungswände (15, 16) eine Windsammelöffnung (8) umgrenzen.
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