DE102011108512B4

DE102011108512B4 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102011108512B4
Application number: DE102011108512.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2015-03-26
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: DE102011108512A1

Abstract

Windkraftanlage mit wenigstens einem Rotorblattaggregat (6) mit vertikaler Rotorwelle (7) und mit wenigstens einem mit der Rotorwelle (7) verbundenen Energiewandler (8) zur Umwandlung der vom Wind erzeugten Rotationsenergie in eine andere Energieform, wobei das Rotorblattaggregat (6) in einem geschlossenen Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei oberseitig des Rotorblattaggregates (6) eine Lufteintrittsöffnung (3) vorgesehen ist, und wobei das Gehäuse (2) unterhalb des Rotorblattaggregates (6) wenigstens eine Luftaustrittsöffnung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Lufteintrittsöffnung (3) auf dem Gehäuse (2) ein Strömungsleitelement (9) angeordnet ist, welches mehrere sich im Wesentlichen vertikal erstreckende Leitwände (10) aufweist, die in Draufsicht gesehen kreuzförmig angeordnet sind, wobei das Strömungsleitelement (9) oberseitig mit einer haubenartigen Deckwand (11) verschlossen ist, und wobei das Strömungsleitele ment (9) zwischen den sich vertikal erstreckenden Leitwänden (10) zusätzliche diagonal nach innen und unten verlaufende Leitwände (12) aufweist, wobei die Leitwände (10) und die zusätzlichen Leitwände (12) innenseitig in einem querschnittlich quadratischen zapfenförmigen Zentralbereich (13) enden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit wenigstens einem Rotorblattaggregat mit vertikaler Rotorwelle und mit wenigstens einem mit der Rotorwelle verbundenen Energiewandler zur Umwandlung der vom Wind erzeugten Rotationsenergie in eine andere Energieform, wobei das Rotorblattaggregat in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet ist, wobei oberseitig des Rotorblattaggregates eine Lufteintrittsöffnung vorgesehen ist, und wobei das Gehäuse unterhalb des Rotorblattaggregates wenigstens eine Luftaustrittsöffnung aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Lösungen bekannt, mittels derer Windenergie in insbesondere elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Am weitesten verbreitet sind derzeit Windkraftanlagen mit einem Windrad mit horizontaler Achse, das in der Regel auf einem Turm montiert ist. Das Windrad ist drehbar an der Spitze des Turmes angeordnet und kann entsprechend der aktuellen Windrichtung nachgeführt werden. Die Nachführung der Windradstellung ist nachteilig, außerdem ist das optische Erscheinungsbild derartiger Windkraftanlagen und die Beeinträchtigung der Umgebung unvorteilhaft.
Diese Nachteile können zumindest teilweise durch die Anordnung in Form von Vertikal-Achsen-Windturbinen gelöst werden. Solche Turbinen benötigen nämlich keine Windnachführung.
Eine Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotorwelle ist aus DE 200 22 913 U1 bekannt. Bei dieser Windkraftanlage sind mehrere an einer gemeinsamen Ständerkonstruktion übereinander angeordnete Rotorblattaggregate vorgesehen sowie wenigstens ein Energiewandler. Dabei sind die Rotorblattaggregate als H-Rotoren mit jeweils vertikal angeordneten Rotorblättern ausgebildet, welche sich um eine beabstandete gemeinsame vertikale Achse in übereinander liegenden Horizontalebenen drehen. Eine solche Windkraftanlage benötigt einen nicht unbeachtlichen Platzbedarf und speziell gestaltete H-Rotoren, was ihre Herstellung aufwändig macht. Außerdem ist das optische Erscheinungsbild einer solchen Anlage nicht optimal.
Aus DE 10 2009 004 016 A1 ist eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse bekannt, bei der Wind bei senkrecht stehend angebrachten Leitschaufeln den senkrecht stehenden Treibschaufeln des Rotors zugeführt wird, wobei die Treibschaufeln des Rotors innerhalb der senkrecht stehend angebrachten Leitschaufeln angeordnet sind. Durch die Leitschaufeln soll erreicht werden, dass die Windaufnahme unabhängig von der Windrichtung erfolgt. Diese Windkraftanlage hat sich bisher in der Praxis nicht durchgesetzt.
Aus US 4 421 452 A ist eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 bekannt. Bei dieser Windkraftanlage ist ein Gehäuse in Form einer rohrförmigen Säule vorgesehen, wobei das Gehäuse in seinem oberen Bereich oberhalb des Rotorblattaggregates auf seinem Umfang mit einer Vielzahl von Lufteintrittsöffnungen versehen ist, welche mit Ventilklappen verschlossen sind, die am Umfang der Säule verteilt angeordnet sind. Diese Ventilklappen sind so konstruiert, dass sie die Gehäuseöffnungen nur freigeben, wenn Wind von außen auf die Ventilklappen trifft. Trifft dagegen eine Windströmung innerhalb des Gehäuses z. B. auf die gegenüberliegenden Ventilklappen, bleiben diese verschlossen. Das Wirkprinzip dieser Windkraftanlage ist somit derart, dass das Gehäuse bzw. die Säule im oberen Bereich nur eine einzige Eintrittsöffnung aufweist, durch welche der Wind, wenn er aus dieser Richtung kommt, in das Gehäuse eintritt und dann aufgrund der Austrittsmöglichkeit unterhalb des Rotorblattaggregates nach unten durch das Gehäuse und durch das Rotorblattaggregat strömt.
Aus DE 10 2009 004 016 A1 ist eine Windkraftanlage mit einer völlig anderen Strömungsanordnung bekannt, welche Strömungsleitwände aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage der eingangs beschriebenen Art so weiter zu bilden, dass ein einfacher und kompakter Aufbau gegeben ist und die Windkraftanlage weitgehend ohne störenden Einfluss auf die Umgebung; z. B. auf Flachdächern, aufgestellt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Windkraftanlage vor, dass oberhalb der Lufteintrittsöffnung auf dem Gehäuse ein Strömungsleitelement angeordnet ist, welches mehrere, sich im Wesentlichen vertikal erstreckende Leitwände aufweist, die in Draufsicht gesehen kreuzförmig angeordnet sind, wobei das Strömungsleitelement oberseitig mit einer haubenartigen Deckwand verschlossen ist, und wobei das Strömungsleitelement zwischen den sich vertikal erstreckenden Leitwänden zusätzliche diagonal nach innen und unten verlaufende Leitwände aufweist, wobei die Leitwände und die zusätzlichen Leitwände innenseitig in einem querschnittlich quadratischen zapfenförmigen Zentralbereich enden.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage umfasst somit ein geschlossenes Gehäuse, das z. B. quader- oder rohrförmig ausgebildet sein kann, welches problemlos auf einem Flachdach, z. B. einem Hausdach, oder auch einem Garagendach aufgestellt werden kann. Das Rotorblattaggregat ist im Gehäuse geschützt untergebracht und wird vom Wind im Wesentlichen axial durchströmt, indem der Wind mittels des Strömungsleitelementes, egal aus welcher Richtung kommend, sozusagen eingefangen und wirkungsvoll nach innen und unten abgeleitet wird. Es stellt sich somit eine vertikal nach unten gerichtete Luftströmung ein, nach Durchtritt der Luft durch das Rotorblattaggregat tritt die Luft unterseitig durch die wenigstens eine Luftaustrittsöffnung des Gehäuses wieder aus. Diese Luftaustrittsöffnung kann an der Außenwand des Gehäuses vorgesehen sein oder auch an der Bodenwand. In diesem Falle kann die ausströmende Luft zusätzlich zur Belüftung eines darunter befindlichen Raumes verwendet werden. Dabei wird durch den zapfenförmigen Zentralbereich vermieden, dass die eintretende Luft auf die Rotorwelle trifft und somit wirkungslos bleibt. Außerdem wird der Strömungsquerschnitt verringert und dadurch die Strömung vor dem Auftreffen auf die Rotorblätter beschleunigt. Durch die haubenartige Deckwand ist der eingefangene Wind nach oben ”abgedeckelt”, was die gewünschte Luftleitung nach unten weiter begünstigt.
Grundsätzlich ist aus DE 10 2004 052 230 B3 für einen anderen Anwendungszweck ein Strömungsleitelement in Kreuzform bekannt, welches keine zusätzlichen Leitwände und keinen Zentralbereich aufweist.
Da unabhängig von der Windrichtung durch die Gestaltung der Windkraftanlage jederzeit gewährleistet ist, dass der Wind sozusagen eingefangen und wirkungsvoll zum Rotorblattaggregat geleitet wird, arbeitet die Windkraftanlage regelmäßig zuverlässig, wenn eine Windströmung vorhanden ist. Die Windkraftanlage kann vorzugsweise dezentral eingesetzt werden, um z. B. für Privathaushalte Strom zu erzeugen. Es können im Wesentlichen Standardbauteile hinsichtlich des Rotorblattaggregates und des Energiewandlers verwendet werden und das optische Erscheinungsbild der Windkraftanlage ist nicht störend, da von außen lediglich das Gehäuse und das darauf befindliche Strömungsleitelement zu erkennen ist.
Je nach geometrischer Form und Größe des Gehäuses kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Rotorblattaggregat unterhalb des Strömungsleitelementes und innerhalb des Gehäuses von einem rohrförmigen zweiten Strömungsleitelement umgeben ist. Dadurch ist gewährleistet, dass der komplette Luftstrom axial durch das Rotorblattaggregat strömt.
Ferner hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, dass der Öffnungsquerschnitt der Gehäuseöffnung oberhalb des Rotorblattaggregates kleiner ist als die vom Umfang des Rotorblattaggregates begrenzte Fläche ist.
Weiterhin ist in an sich bekannter bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass der Energiewandler ein Stromgenerator ist. Bei dem Energiewandler kann es sich grundsätzlich um jedwede Maschine handeln, die die Windenergie in eine andere Energieform konvertiert. So ist es grundsätzlich auch möglich, auf ein als Druckluftmotor insbesondere Druckluftkolbenmotor arbeitenden Energiewandler zurückzugreifen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Windkraftanlage,
2 eine perspektivische Darstellung der Windkraftanlage,
3 eine Explosionsdarstellung der Windkraftanlage und in
4 eine Draufsicht auf die Windkraftanlage.
Eine erfindungsgemäße Windkraftanlage ist in der Zeichnung allgemein mit 1 bezeichnet. Diese Windkraftanlage 1 weist zunächst ein geschlossenes Gehäuse 2 auf, welches oberseitig eine zentrale Lufteintrittsöffnung 3 und unterseitig z. B. im unteren Bereich der Seitenwände wenigstens eine Luftaustrittsöffnung 4 aufweist. Das Gehäuse 2 ist z. B. quader- oder rohrförmig ausgebildet. Unterseitig ist es mit einer Bodenplatte 5 versehen, mit dem es z. B. auf einem Flachdach angeordnet werden kann. Die Bodenplatte 5 kann auch entfallen.
Zentral innerhalb des Gehäuses 2 und unterhalb der Lufteintrittsöffnung 3 ist ein Rotorblattaggregat mit einem Rotorrad 6 waagerecht angeordnet, welches mit einer vertikal angeordneten Rotorwelle 7 verbunden ist. Diese Rotorwelle 7 ist unterseitig mit einem vorzugsweise ebenfalls innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Energiewandler, vorzugsweise in Form eines Stromgenerators 8, verbunden. Der Stromgenerator 8 kann ggf. auch über zwischengeschaltete Getriebeelemente mit der Rotorwelle 7 verbunden sein, er kann auch außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein.
Wesentlicher Bestandteil der Windkraftanlage 1 ist ein Strömungsleitelement 9, welches oberhalb der Lufteintrittsöffnung 3 angeordnet ist. Dieses Strömungsleitelement 9 weist beim Ausführungsbeispiel vier sich im Wesentlichen vertikal erstreckende Leitwände 10 auf, die in Draufsicht gesehen kreuzförmig angeordnet sind.
Oberseitig der Leitwände 10 ist das Strömungsleitelement 9 mit einer haubenartigen Deckwand 11 verschlossen.
Bevorzugt weist das Strömungsleitelement 9 zwischen den sich vertikal erstreckenden Leitwänden 10 zusätzlich diagonal nach innen und unten verlaufende Leitwände 12 auf, diese zusätzlichen Leitwände 12 und die Leitwände 9 enden innenseitig vorzugsweise in einem querschnittlich quadratischen zapfenförmigen Zentralbereich 13 des Strömungsleitelementes 9, welcher sich zentral oberhalb der Lufteintrittsöffnung 3 befindet.
Vorzugsweise ist das Rotorblattaggregat bzw. das Rotorrad 6 unterhalb des Strömungsleitelementes 9 und innerhalb des Gehäuses 2 von einem rohrförmigen zweiten Strömungsleitelement 14 umgeben.
Wie am besten aus 1 zu erkennen ist, ist der Öffnungsquerschnitt der Lufteintrittsöffnung 3 des Gehäuses 2 oberhalb des Rotorblattaggregates kleiner als die vom Umfang des Rotorrades 6 begrenzte Fläche. Dazu weist das Gehäuse 2 im Deckwandbereich mit 2a bezeichnete Wandbereiche auf.
Wenn die Windkraftanlage 1 auf einem Flachdach aufgestellt ist und Wind bläst, gelangt dieser, egal aus welcher Richtung er bläst, zwischen zwei Leitwänden 9 und der zugehörigen Leitwand 12 in das Strömungsleitelement 9 und wird in Richtung der mit 15 angedeuteten Strömungsverläufe zunächst durch die Lufteintrittsöffnung 3 im Wesentlichen vertikal nach unten durch das Rotorrad 6 hindurchgeleitet, wodurch das Rotorrad 6 in Drehbewegung versetzt wird und den Stromgenerator 8 über die Rotorwelle 7 antreibt. Die Luft tritt unten durch die Luftaustrittsöffnungen 4 wieder aus.
Die Windkraftanlage 1 fängt somit den Wind sozusagen seitlich im Wesentlichen in waagerechter Richtung durch das Strömungsleitelement 9 ein, wodurch die Windströmung nach unten in Richtung zum Rotorrad 6 abgelenkt wird, dieses antreibt und durch die Luftaustrittsöffnungen 4 wieder aus dem Gehäuse 2 austritt.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So kann z. B. das zusätzliche zweite Strömungsleitelement 14 auch entfallen, wenn das Gehäuse 2 kleiner ausgebildet ist, so dass sich die seitlichen Gehäusewandungen des Gehäuses 2 etwa an der Position des zweiten Strömungsleitelementes 14 befinden. Das Gehäuse 2 selbst ist bevorzugt quaderförmig oder rohrförmig ausgebildet, gleiches gilt auch für die Grundfläche des Strömungsleitelementes 9.

Claims

Windkraftanlage mit wenigstens einem Rotorblattaggregat (6) mit vertikaler Rotorwelle (7) und mit wenigstens einem mit der Rotorwelle (7) verbundenen Energiewandler (8) zur Umwandlung der vom Wind erzeugten Rotationsenergie in eine andere Energieform, wobei das Rotorblattaggregat (6) in einem geschlossenen Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei oberseitig des Rotorblattaggregates (6) eine Lufteintrittsöffnung (3) vorgesehen ist, und wobei das Gehäuse (2) unterhalb des Rotorblattaggregates (6) wenigstens eine Luftaustrittsöffnung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Lufteintrittsöffnung (3) auf dem Gehäuse (2) ein Strömungsleitelement (9) angeordnet ist, welches mehrere sich im Wesentlichen vertikal erstreckende Leitwände (10) aufweist, die in Draufsicht gesehen kreuzförmig angeordnet sind, wobei das Strömungsleitelement (9) oberseitig mit einer haubenartigen Deckwand (11) verschlossen ist, und wobei das Strömungsleitele ment (9) zwischen den sich vertikal erstreckenden Leitwänden (10) zusätzliche diagonal nach innen und unten verlaufende Leitwände (12) aufweist, wobei die Leitwände (10) und die zusätzlichen Leitwände (12) innenseitig in einem querschnittlich quadratischen zapfenförmigen Zentralbereich (13) enden.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblattaggregat (6) unterhalb des Strömungsleitelementes (9) und innerhalb des Gehäuses (2) von einem rohrförmigen zweiten Strömungsleitelement (14) umgeben ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt der Lufteintrittsöffnung (3) oberhalb des Rotorblattaggregates (6) kleiner als die vom Umfang des Rotorblattaggregates (6) begrenzte Fläche ist.
Windkraftanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler ein Stromgenerator (8) ist.