DE102011114398A1

DE102011114398A1 - Windkraftkonverter

Info

Publication number: DE102011114398A1
Application number: DE102011114398A
Authority: DE
Inventors: Thomas Falkenstein
Original assignee: Falkenstein Thomas Gewerbliche Vermietung und Verpachtung eK
Current assignee: Falkenstein Thomas Gewerbliche Vermietung und Verpachtung eK
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21
Also published as: WO2013041632A3; WO2013041632A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windkraftkonverter (10) mit einem Vertikalrotor (16), der eine Mehrzahl von Rotorblätter (14) aufweist, die an einer im Wesentlichen senkrecht stehenden Rotorachse (12) angeordnet sind, einem Gehäuse (18), das den Vertikalrotor (16) wenigstens teilweise umfänglich umgibt, wobei das Gehäuse (18) eine langgestreckte Einlassöffnung (22) aufweist, die sich in axialer Richtung des Gehäuses (18) erstreckt, einem Einströmbereich (28), der an der Einlassöffnung (22) gebildet ist, um anströmende Luft (30) den Rotorblättern (14) in einer im Wesentlichen tangentialen Richtung der Rotorachse (12) zuzuführen, wobei der Einströmbereich (28) zwischen einer Einströmfläche (26) und einer Mantelfläche (20) des Gehäuses (18) gebildet ist und die Einströmfläche (26) die Mantelfläche (20) des Gehäuses (18) teilweise umfänglich umgibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windkraftkonverter, mit einem Vertikalrotor, der eine Mehrzahl von Rotorblättern aufweist, die an einer im Wesentlichen senkrecht stehenden Rotorachse angeordnet sind, einem Gehäuse, das den Vertikalrotor umfänglich umgibt, wobei das Gehäuse eine langgestreckte Einlassöffnung aufweist, die sich in axialer Richtung des Gehäuses erstreckt, einem Einströmbereich, der an der Einlassöffnung gebildet ist, um anströmende Luft den Rotorblättern in einer im Wesentlichen tangentialen Richtung der Rotorachse zuzuführen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines derartigen Windkraftkonverters an einem Verkehrsweg.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Windkraftanlagen mit Vertikalrotor bekannt. Die meisten dieser Windkraftanlagen weisen einen freistehenden Vertikalrotor mit Rotorblättern auf, die an einer senkrecht stehenden Rotorachse angeordnet sind. Nachteilig dabei ist es, dass anströmende Luft sowohl eine Vorderseite der Rotorblätter als auch eine Rückseite der Rotorblätter anströmt und somit die Effizienz derartiger Vertikalrotoren reduziert ist.
Aus der DE 299 20 899 U1 ist ein Vertikalrotor bekannt, der in einem Gehäuse aufgenommen ist und einen trichterförmigen Lufteinlass aufweist, der die anströmende Luft den Rotorblättern in optimierter Weise zuführt. Das Gehäuse weist ferner an einer der Einlassöffnung gegenüberliegenden Seite eine entsprechende Auslassöffnung auf, um die einströmende Luft an der Rückseite nach außen abzuführen. Nachteilig bei diesem System ist es, dass das Gehäuse und insbesondere die trichterförmige Einlassöffnung technisch aufwändig in der Herstellung sind und gleichzeitig einen großen Platzbedarf haben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Windkraftkonverter mit Vertikalrotor bereitzustellen, der die anströmende Luft optimal nutzt.
Es ist weiterhin die Aufgabe der vorliegenden Erfindung mit einem effizienten Windkraftkonverter bislang ungenutzte Luftbewegungen zu nutzen und in elektrische Energie zu wandeln.
Die oben genannte Aufgabe wird bei einem Windkraftkonverter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Einströmbereich zwischen einer Einströmfläche und einer Mantelfläche des Gehäuses gebildet ist, wobei die Einströmfläche die Mantelfläche des Gehäuses teilweise umfänglich umgibt.
Vorteil des erfindungsgemäßen Windkraftkonverters ist es, dass der Einströmbereich durch die besondere Anordnung der Einströmfläche in Bezug auf die Mantelfläche des Gehäuses, die anströmende Luft in einer im Wesentlichen tangentialen Richtung den Rotorblättern zuführt und somit die Effizienz der Nutzung der Luftströmung erhöht ist und dadurch, dass die Anströmfläche die Mantelfläche des Gehäuses teilweise umfänglich umgibt, kann das Gehäuse und somit der Windkraftkonverter platzsparend und kostengünstig mit technisch geringem Aufwand gefertigt werden.
Die obige Aufgabe wird ferner bei einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass ein derartiger Windkraftkonverter an einem Verkehrsweg verwendet wird, um von Fahrzeugen erzeugte Luftströmungen in elektrische Energie zu wandeln.
Vorteil dabei ist es, dass die von vorbeifahrenden Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen oder Schienenfahrzeugen erzeugte Druckwellen und damit verbundene Luftbewegungen genutzt werden können und in elektrische Energie gewandelt werden können.
Bei dem Windkraftkonverter ist es besonders bevorzugt, wenn der Einströmbereich in axialer Blickrichtung der Rotorachse trichterförmig ausgebildet ist.
Dadurch kann die einströmende Luftmenge vergrößert werden und die Luftströmung bzw. die Strömungsgeschwindigkeit an der Einlassöffnung durch einen Düseneffekt erhöht werden.
Es ist ferner von besonderem Vorzug, wenn die Mantelfläche des Gehäuses und die Einströmfläche in axialer Bewegrichtung der Rotorachse im Wesentlichen spiralförmig ausgebildet sind.
Dadurch kann mit einfachen Mitteln die einströmende Luft in eine Kreisbewegung gelenkt werden und den Rotorblättern in einer tangentialen Richtung der Rotationsachse zugeführt werden, wodurch die Effizienz des Windkraftkonverters weiterhin gesteigert wird.
Es ist ferner bevorzugt, wenn die Rotorachse zur Erzeugung von elektrischer Energie einem Generator verbindbar ist.
Dadurch kann die durch die Windenergie erzeugte Rotationsenergie der Rotorachse in elektrische Energie umgesetzt werden.
Es ist ferner besonders bevorzugt, wenn an einem oder an beiden axialen Enden des Gehäuses eine Auslassöffnung für die einströmende Luft gebildet ist.
Dadurch kann die einströmende Luft effizient an die Umgebung abgegeben werden, ohne dass das Ausströmen der Luft durch umgebende Luftbewegung behindert wird.
Es ist dabei bevorzugt, wenn an bzw. in der Mantelfläche des Gehäuses ein im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufender Ausströmkanal gebildet ist, durch den die einströmende Luft der Auslassöffnung zuführbar ist.
Dadurch kann die einströmende Luft den axialen Enden optimal zugeführt werden, wodurch ein Überdruck in dem Gehäuse und somit eine Reduzierung des Wirkungsgrads verhindert werden kann.
Es ist dabei weiterhin bevorzugt, wenn der Austrittskanal über eine Öffnung oder eine Mehrzahl von Öffnungen mit einer Innenseite des Gehäuses verbunden ist, durch die hindurch die Luft in den Ausströmkanal abführbar ist.
Dadurch kann die einströmende Luft über die gesamte axiale Länge des Gehäuses optimal an die Auslassöffnung abgeführt werden.
Es ist allgemein bevorzugt, wenn der Windkraftkonverter um eine senkrechte Achse drehbar gelagert ist und in unterschiedlichen, insbesondere vordefinierten Drehpositionen festlegbar ist.
Dadurch kann der Windkraftkonverter optimal zur anströmenden Luft ausgerichtet werden und ist somit vielseitig und unabhängig von der Windrichtung einsetzbar.
Es ist ferner bevorzugt, wenn die Mantelfläche des Gehäuses und die Einströmfläche einstückig ausgebildet sind.
Dadurch ist das Gehäuse mit geringem technischen Aufwand und Kosten günstig herstellbar.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Windkraftkonverters in Draufsicht;
2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des Windkraftkonverters;
3 zeigt eine schematische Seitenansicht des Windkraftkonverters; und
4 zeigt eine schematische Darstellung der Verwendung des Windkraftkonverters an einem Verkehrsweg.
In 1 ist ein Windkraftkonverter in schematischer Draufsicht dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet.
Der Windkraftkonverter 10 weist eine Rotorachse 12 auf, die senkrecht zur Erdoberfläche angeordnet ist. An der Rotorachse 12 sind vier Rotorblätter 14 angeordnet, die sich in radialer Richtung erstrecken. Die Rotorachse 12 und die Rotorblätter 14 bilden zusammen einen Vertikalrotor 16, der drehbar um die Rotorachse 12 gelagert ist. Der Vertikalrotor 16 ist in einem Gehäuse 18 aufgenommen. Das Gehäuse 18 weist eine Mantelfläche 20 auf, die den Vertikalrotor 16 umfänglich umgibt. Das Gehäuse 18 weist an einer Seite eine Einlassöffnung 22 auf, die als langgestreckte Öffnung in axialer Richtung in dem Gehäuse 18 ausgebildet ist. Das Gehäuse 18 weist in axialer Blickrichtung der Rotorachse 12 eine Spiralform mit einem zylindrischen Abschnitt 24 auf, wobei sich die Mantelfläche 20 zu der Einlassöffnung 22 hin spiralförmig öffnet.
Die Mantelfläche 20 ist an der Einlassöffnung 22 durch eine Einströmfläche 26 spiralförmig fortgesetzt, wobei die Einströmfläche 26 die Mantelfläche 20 des zylindrischen Abschnitts 24 des Gehäuses 18 teilweise umfänglich umgibt. In radialer Richtung zwischen der Einströmfläche 26 und der Mantelfläche 20 ist ein Einströmbereich 28 gebildet. Durch die Spiralform des Gehäuses 18 bzw. der Mantelfläche 20 ist der Einströmbereich 28 trichterförmig ausgebildet, der sich zu der Einlassöffnung 22 hin verengt.
Anströmende Luft, die in 1 schematisch durch Pfeile 30 dargestellt und im Weiteren allgemein mit 30 bezeichnet ist, strömt in den Einströmbereich 28 ein und wird durch die Einströmfläche 26 in einer Kreisbewegung zu der Einlassöffnung 22 hingeführt. Durch die Trichterform des Einströmbereichs 28 wird die einströmende Luft 30 gebündelt, so dass eine Einströmgeschwindigkeit der einströmenden Luft 30 an der Einlassöffnung 22 erhöht wird bzw. die Einlassöffnung 22 als eine Düse wirkt. Die derart komprimierte Luft wird in einer tangentialen Richtung der Rotorachse 12 den Rotorblättern 14 zugeführt und bewirkt somit eine Rotation des Vertikalrotors 16 um die Rotorachse 12.
Der Vertikalrotor 16 ist an einem axialen Ende mit einem nicht dargestellten Generator verbunden, um die Rotationsenergie des Vertikalrotors 16 in elektrische Energie zu wandeln. Die derart erzeugte elektrische Energie kann einem nicht dargestellten Energiespeicher, wie z. B. einer Batterie oder einem Akkumulator gespeichert werden, oder aber in ein öffentliches Stromnetz eingespeist werden.
Die Mantelfläche 20 und die Einströmfläche 26 sind vorzugsweise einstückig ausgebildet und aus einem Metallblech oder aus einer spiralförmigen Kunststofffläche gebildet.
Mittels des derart ausgebildeten Gehäuses 18 kann der Vertikalrotor 16 durch die anströmende Luft 30 effektiv angetrieben werden, da die Rotorblätter 14 lediglich in einer Richtung von der einströmenden Luft 30 angeströmt werden. Ferner ist der Windkraftkonverter 10 besonders effizient, da die Rotorblätter optimal in einer im Wesentlichen tangentialen Richtung zu der Rotorachse 12 angeströmt werden.
In 2 ist der Windkraftkonverter 10 in einer perspektivischen Darstellung schematisch dargestellt. Die Mantelfläche 20 des Gehäuses 18 ist spiralförmig ausgebildet, wobei der Vertikalrotor 16 in dem zylindrischen Abschnitt 24 aufgenommen ist. Das Gehäuse 18 ist an seinen axialen Enden verschlossen. Der Einströmbereich 28 ist zwischen der Einströmfläche 26 und einer Trichterfläche 32 gebildet. Die Trichterfläche 32 umgibt die Mantelfläche 20 umfänglich und ist von der Mantelfläche 20 beabstandet. Zwischen der Mantelfläche 20 und der Trichterfläche 32 ist dadurch ein Ausströmkanal 34 gebildet.
Der Ausströmkanal 34 verläuft in axialer Richtung des Gehäuses 18 und weist an seinen axialen Enden Auslassöffnungen 36, 38 auf. Der Ausströmkanal 34 ist mit einem Innenraum 40 des Gehäuses 18 bzw. der Mantelfläche 20 verbunden, so dass die einströmende Luft 30 über den Ausströmkanal 34 den Auslassöffnungen 36, 38 zugeführt werden kann. Über die Auslassöffnungen 36, 38 wird die einströmende Luft 30 aus dem Gehäuse 18 abgeführt.
Der Ausströmkanal 34 ist vorzugsweise über eine Längsöffnung in der Mantelfläche 20 mit dem Innenraum 40 des Gehäuses 18 oder alternativ über eine Mehrzahl von Öffnungen mit dem Innenraum 40 verbunden.
Der Vertikalrotor 16 ist durch die Rotorachse 12 und die Rotorblätter 14 gebildet. Die Rotorblätter 14 erstrecken sich radial von der Rotorachse 12. An der Rotorachse 12 sind jeweils vier der Rotorblätter 14 mit einem Winkel von 90° zueinander angeordnet und wobei übereinander eine Mehrzahl der Rotorblätter 14 über die Rotorachse 12 verteilt angeordnet sind.
Die Einströmfläche 26 umschließt die Mantelfläche 20 spiralförmig, so dass der trichterförmige Einströmbereich 28 gebildet wird. Die Einströmfläche 26 ist ferner radial nach außen aufgeweitet. Die Einströmfläche 26 ist in axialer Blickrichtung der Rotorachse 12 trompetenförmig aufgeweitet. Durch diese besondere Form der Einströmfläche 26 können noch größere Luftmengen der anströmenden Luft 30 in das Gehäuse 18 eingeleitet werden.
Durch das derart ausgebildete Gehäuse 18 kann die einströmende Luft 30 den Rotorblättern 14 optimal zugeführt werden, um die Rotorachse 12 anzutreiben. Ferner kann über den Ausströmkanal 34 die einströmende Luft 30 über die Auslassöffnungen 36, 38 abgeführt werden. Dadurch kann eine effektive Nutzung der umgebenden Luftbewegungen bzw. des anströmenden Windes erzielt werden.
In 3 ist der Windkraftkonverter 10 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Der Windkraftkonverter 10 weist das Gehäuse 18 auf, an dem in dieser Darstellung der Einströmbereich 28 für einströmende Luft 30 sichtbar ist. Das Gehäuse 18 ist mittels einer Lageranordnung 42 um eine Drehachse 44 drehbar gelagert. Die Lageranordnung 42 ist an einem Sockel 46 gelagert, der einen festen Stand für den Windkraftkonverter 10 bildet.
In 3 ist der Ausströmkanal 34, der sich im Inneren des Gehäuses 18 befindet, schematisch dargestellt. Der Ausströmkanal 34 erstreckt sich in axialer Richtung des Gehäuses 18. Der Ausströmkanal 34 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 48 auf, die den Innenraum 40 mit dem Ausströmkanal 34 verbinden. Der Ausströmkanal 34 ist an seinen axialen Enden mit den Auslassöffnungen 36, 38 verbunden. Die Auslassöffnungen 36, 38 sind jeweils mit einem Abluftkanal 50, 52 verbunden.
Die einströmende Luft 30, die in dem Innenraum 40 gestaut wird, wird über die Öffnungen 48 in den Ausströmkanal 34 geführt. Ausströmende Luft, die in 3 mittels Pfeilen 54 angedeutet und im Weiteren allgemein mit 54 bezeichnet ist, wird in axialer Richtung zu den Auslassöffnungen 36, 38 geführt und über die Abluftkanäle 50, 52 an die Umgebung abgeführt. In einer besonderen Ausführungsform sind die Abluftkanäle 50, 52 mit einem senkrechten Abluftkanal verbunden, um das Abführen der ausströmenden Luft 54 zu optimieren. Somit kann die einströmende Luft 30 mit einfachen Mittel und effizient an die Umgebung abgeführt werden, ohne dass die umgebenden Luftbewegungen das Ausströmen behindern oder beeinflussen kann.
In 3 ist die Rotorachse 12 schematisch dargestellt. Die Rotorachse 12 ist mit einem elektrischen Generator 56 verbunden, der am unteren Ende des Gehäuses 18 angeordnet ist. Der Generator 56 stellt durch die Rotation der Rotorachse 12 an elektrischen Anschlüssen 58 eine entsprechende Wechselspannung 60 bereit.
Dadurch, dass der Windkraftkonverter 10 über die Lageranordnung 42 gedreht werden kann, kann der Windkraftkonverter 10 immer in eine optimale Position relativ zu einer Windrichtung bzw. einer Bewegung von Luftmassen gerichtet werden.
In 4 ist eine Anwendung des Windkraftkonverters 10 schematisch dargestellt. Gemäß dieser Anwendung wird der Windkraftkonverter 10 an Verkehrswegen wie z. B. Schienenstrecken oder Kraftfahrstraßen angeordnet, um die Luftbewegung, die durch vorbeifahrende Kraftfahrzeuge oder Schienenfahrzeuge hervorgerufen wird, zu nutzen und in elektrische Energie zu wandeln.
In 4 ist eine Kraftfahrstraße 61 dargestellt, auf der sich ein Kraftfahrzeug 62 bewegt. Das Kraftfahrzeug 62 bewirkt durch seine Bewegung eine Druckwelle, die eine Luftbewegung hervorruft, die in 4 schematisch durch Pfeile 64 angedeutet ist.
Benachbart zu der Kraftfahrstraße 61 sind zwei der Windkraftkonverter 10 angeordnet, um die Luftbewegung 64 in elektrische Energie zu wandeln. Die Luftbewegung bzw. Luftströmung 64 bewegt sich auf die Windkraftkonverter 10 zu und bildet die einströmende Luft 30. Die einströmende Luft 30 treibt, wie oben beschrieben, den Vertikalrotor 16 an, so dass mittels des Generators 56 elektrische Energie erzeugt werden kann.
Die Windkraftkonverter 10 können mittels der Lageranordnung 42 in beliebiger Drehrichtung zu der Straße 61 ausgerichtet werden, so dass eine optimale Nutzung der Luftbewegung 64 bzw. des Fahrtwindes 64 möglich ist. Sofern die Windkraftkonverter 10 zwischen zwei entgegengesetzten Fahrtrichtungen der Kraftfahrstraße 61 angeordnet sind, können die Windkraftkonverter 10 je nach Verkehrsfluss sowohl auf die eine als auch auf die andere Fahrtrichtung der Kraftfahrstraße 61 ausgerichtet werden.
Somit kann durch die effektiven Windkraftkonverter 10 der durch einen Verkehrsfluss im Allgemeinen hervorgerufene Fahrtwind 64 genutzt und in elektrische Energie gewandelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 29920899 U1 [0004]

Claims

Windkraftkonverter (10) mit – einem Vertikalrotor (16), der eine Mehrzahl von Rotorblätter (14) aufweist, die an einer im Wesentlichen senkrecht stehenden Rotorachse (12) angeordnet sind, – einem Gehäuse (18), das den Vertikalrotor (16) wenigstens teilweise umfänglich umgibt, wobei das Gehäuse (18) eine langgestreckte Einlassöffnung (22) aufweist, die sich in axialer Richtung des Gehäuses (18) erstreckt, – einem Einströmbereich (28), der an der Einlassöffnung (22) gebildet ist, um anströmende Luft (30) den Rotorblättern (14) in einer im Wesentlichen tangentialen Richtung der Rotorachse (12) zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (28) zwischen einer Einströmfläche (26) und einer Mantelfläche (20) des Gehäuses (18) gebildet ist und die Einströmfläche (26) die Mantelfläche (20) des Gehäuses (18) teilweise umfänglich umgibt.
Windkraftkonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (28) in axialer Blickrichtung der Rotorachse (12) trichterförmig ausgebildet ist.
Windkraftkonverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (20) des Gehäuses (18) und die Einströmfläche (26) in axialer Blickrichtung der Rotorachse (12) im Wesentlichen spiralförmig ausgebildet sind.
Windkraftkonverter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorachse (12) zur Erzeugung von elektrischer Energie mit einem Generator (56) verbindbar ist.
Windkraftkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an einem oder an beiden axialen Enden des Gehäuses (18) eine Auslassöffnung (36, 38) für ausströmende Luft (54) gebildet ist.
Windkraftkonverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an bzw. in der Mantelfläche (20) des Gehäuses (18) ein im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufender Ausströmkanal (34) gebildet ist, durch den die ausströmende Luft (54) der Auslassöffnung (36, 38) zuführbar ist.
Windkraftkonverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausströmkanal (34) über eine Öffnung (48) oder eine Mehrzahl von Öffnungen (48) mit einer Innenseite (40) des Gehäuses (18) verbunden ist, durch die hindurch die ausströmende Luft in den Ausströmkanal (34) abführbar ist.
Windkraftkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) um eine senkrechte Achse (44) drehbar gelagert ist und in unterschiedlichen, insbesondere vordefinierten Drehpositionen festlegbar ist.
Windkraftkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (20) des Gehäuses (18) und die Einströmfläche (26) einstückig ausgebildet sind.
Verwendung eines Windkraftkonverters (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 an einem Verkehrsweg (61), um von Fahrzeugen (62) erzeugte Luftströmungen (64) in elektrische Energie zu wandeln.