DE102012011743A1

DE102012011743A1 - Windturbine mit über Windleitkanäle einzeln beaufschlagten Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE102012011743A1
Application number: DE201210011743
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-10
Filing date: 2012-06-10
Publication date: 2013-12-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windturbine (I) zur Stromerzeugung mittels einer Turbinentrommel (3) und Windleitkanäle (2), die in einem Windleitkasten (1) integriert sind. Die Windturbine (I) ist dadurch gekennzeichnet, dass die ankommende Windströmung (6.1) mittels Windleitkanäle (2) aufgeteilt und den einzelnen Turbinenschaufeln (3.1) zugeführt wird. Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist, dass mehrere Windturbinen (I) als Modul zu einem leistungsvervielfachenden Flächenverbund (II) zusammen gefügt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windturbine, deren Turbinentrommel auf der Basis eines Trommelläufers aufgebaut ist, wobei die Turbinenschaufeln einzeln mit dem gleichen Einströmwinkel und dem gleichen Einströmspalt über Luftleitkanäle von der umgelenkten Windströmung angeblasen werden. Die parallel aneinander liegenden Windleitkanäle sind frontal zum Wind ausgerichtet und leiten die Windströmung zu den Turbinenschaufeln um. Turbinentrommel und Windleitkanäle sind in einem Windleitkasten integriert und bilden so ein Modul, das aneinander gereiht einen Flächenverbund mit größerer Leistung ergibt.
Windkraftanlagen kann man von der Antriebsachse her unterscheiden in solche mit horizontaler oder vertikaler Rotorachse. In weit überwiegendem Maße sind bei Großanlagen nach heutigem Stand der Technik horizontale Rotorachsen gebräuchlich.
Diese Rotoren sind mit Tragflächen von Flugzeugen vergleichbar und sind demnach Auftriebsläufer, d. h. als Antriebskraft wirkt die unterschiedliche Geschwindigkeit und damit der unterschiedliche dynamische Druck zwischen der gewölbten und der nicht gewölbten Seite des Rotorblattes.
Dieses Prinzip lässt sich auch bei vertikalen Rotorachsen, beim so genannten H-Darrieus-Rotor, anwenden. Diese Anlagen haben den Vorteil, dass sie nicht dem Wind nachgeführt werden müssen wie bei horizontalen Anlagen, jedoch den Nachteil, dass die rücklaufenden Rotoren gegen den Wind arbeiten und damit bremsen. Ein weiterer Nachteil ist, dass während der Drehung immer nur ein Rotor voll im Wind ist.
Bei kleinen Windturbinen werden gerne vertikal gelagerte Rotoren eingesetzt, die auf der Basis eines Trommelläufers aufgebaut sind und die Trommel eine größere Anzahl von Turbinenschaufeln aufnimmt, ähnlich wie bei Axiallüftern, jedoch aufgrund des Umkehrprinzips mit einer anderen Schaufelausrichtung. Hierbei wirkt nicht der Auftrieb, sondern der Impuls aus der umgelenkten Windströmung an der Innenseite der Turbinenschaufel, ähnlich wie bei Dampfturbinen. Grundsätzlich ist der Vorteil bei diesem Prinzip, dass kein Schattenwurf oder Disco-Effekt wie bei den horizontal gelagerten Anlagen mit ihren großen Rotoren auftritt. Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips ist, wie beim oben genannten H-Darrieus-Rotor, dass keine Windnachführung erforderlich ist und der Rotor auf einer Achse mit dem feststehenden Generator sitzt, aber genauso den Nachteil besitzt, dass die rücklaufenden Turbinenschaufeln gegen den Wind arbeiten und von den verbleibenden 90 Grad des Turbinentrommelumfangs nur wenige Schaufeln während der Drehung optimal zur Windrichtung ausgerichtet sind.
Das Trommelläuferprinzip lässt sich auch horizontal gelagert einsetzen, gegebenenfalls mit dem Nachteil, dass ein Winkelgetriebe für den Antrieb des Generators erforderlich ist.
Dem Nachteil, dass die rücklaufenden Turbinenschaufeln gegen den Wind arbeiten und bremsen, versucht man bei der DE 31 18067 A1 , DE 10 2007 032 843 A1 , DE 20 2007 006 141 U1 und DE 36 38 620 A1 sowie beim GM 80 02 785 dadurch zu begegnen, dass durch Abschirmungen die Windzufuhr einschränkt wird. Aber auch im verbleibenden Wirkbereich des Windes stehen nur wenige Schaufeln während der Drehung optimal in der Windrichtung.
Die Aufgabe einer optimalen, verlustarmen Windzuführung wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von Windleitkanälen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine Windströmung lässt sich nicht mit einem Trichter zusammen führen, wie dies beispielsweise in der DE 10 2007 032 843 A dargestellt ist, da rings um die Turbine der gleiche statische atmosphärische Druck herrscht und somit keine Beschleunigung der Strömung stattfindet. Nur der engste Querschnitt des Trichters ist nutzbar.
Erfindungsgemäß wird daher mit hoher Wirkung der ankommende Wind über Windleitkanäle, die parallel und aneinander liegend frontal gegen den Wind gerichtet sind, zu den einzelnen Turbinenschaufeln mit dem gleichen Querschnitt wie der Eintrittsspalt zwischen zwei Turbinenschaufeln umgelenkt.
Ein wesentlicher Vorteil ist dabei, dass zum einen die an der Turbinentrommel ankommende Windströmung den gleichen Winkel aufweist wie der Eintrittswinkel an den Turbinenschaufeln und zum anderen, dass auch der rücklaufende Teil der Schaufeln mit dem richtigen Strömungswinkel beaufschlagt wird.
Damit können 180 Grad des Turbinen-Trommeldurchmessers beaufschlagt werden, d. h. dass die 1,5-fache Fläche des Trommelquerschnitts als windwirksame Fläche genutzt werden kann, im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen, bei denen nur ein kleiner Teil des Umfangs optimal nutzbar ist. Dies bewirkt eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades, indem sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment stark erhöht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Turbinentrommel und die Windleitkanäle zusammen in einem Windleitkasten integriert sind, da zum einen die Windaustrittseite als Windschattenzone (Sogzone) ausgebildet ist und somit partiell ein geringer Unterdruck gegenüber dem atmosphärischen Druck entsteht, der das Abströmen der Turbinenluft erleichtert und zum anderen bildet der Windleitkasten ein Modul, das sich ringsum von vier Seiten mit weiteren Modulen sowohl mechanisch als auch antriebstechnisch zu einem Flächenverbund erweitern lässt. Somit können mit einem Grundmodul nach Bedarf größere Leistungseinheiten zusammengesetzt werden. Auf eine Vielfalt von leistungsspezifischen Windturbinen kann verzichtet werden.
Diese kleinen Grundeinheiten erschließen sich damit auch der Massenfertigung, insbesondere bei der Herstellung der Turbinenschaufeln für die besondere Stanz- und Prägewerkzeuge erforderlich sind. Zudem erspart man sich mächtige Turbinentrommeln, um eine größere Windwirkfläche für größere Leistungen zu erzielen. Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Anlagen ist die Ausbildung des Windkastens mit einem Vogel- und Fledermaus-Schutzgitter an der Ein- und Ausströmseite des Windes.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale der Erfindung können für sich alleine oder zu mehreren bei den Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht sein.
Es zeigen:
1 Die Windturbine schematisch mit den Hauptmerkmalen in der Draufsicht.
2 Die Windturbine schematisch in der Vorderansicht.
3 Schematisch den Querverbund von mehreren Windturbinenmodulen mit Transmissionsantrieb und den Drehpunkt für die Windnachführung.
4 Schematisch den Flächenverbund von mehreren Windturbinenmodulen, aufgesetzt auf einem Drehgestell und auf einem gemeinsamen Mast.
1 zeigt die, als Modul ausgeführte Windturbine (I), deren Windkasten (1) die Windleitkanäle (2) und die Turbinentrommel (3) mit den Turbinenschaufeln (3.1) und die Achse (4) aufnimmt.
Es wird gezeigt wie zum einen die ankommende Windströmung (6) den Windkasten (1) umströmt und die auf die Frontseite des Windkastens (1) auftreffende Zuluftströmung (6.1) sich auf die einzelnen Windleitkanäle (2) verteilt und so umgelenkt wird, dass am Übergang zur Turbinentrommel (3) der Ausströmwinkel der Windleitkanäle (2) gleich dem Einströmwinkel an den einzelnen Turbinenschaufeln (3.1) ist.
Durch diese erfindungsgemäße Anordnung können ohne weiteres bis zu 180 Grad des Außenumfangs der Turbinentrommel (3) beaufschlagt werden und somit die 1,5-fache Windwirkfläche gegenüber der Turbinentrommelfläche erreicht werden. Der Windleitkasten (1) erstreckt sich über die Turbinentrommel (3) hinaus. Dadurch entsteht gegenüber der seitlichen freien Windströmung (6) eine Windschattenzone (11) bzw. Sogzone, die zu einem partiellen statischen Unterdruck gegenüber dem umgebenden atmosphärischen Druck führt und so das Abfließen der Abluftwindströmung (6.2) aus der Turbinentrommel (3) wesentlich verbessert.
Sowohl die Zuluft- als auch die Abluftseite des Windleitkastens (1) ist mit einem Vogel- und Fledermaus-Schutzgitter versehen. Da die Drehachse (5) für den Windleitkasten (1) vorgesetzt ist, kann sich der Windleitkasten (1) eigenständig nach dem Wind ausrichten.
In 2 ist schematisch die Frontseite der Windturbine (I) dargestellt.
Am Windkasten (1) sieht man die nebeneinander stehenden Windleitkanäle (2) und im Hintergrund die Turbinentrommel (3) mit den Achsen (4).
In 3 ist in der Draufsicht schematisch und beispielhaft ein Flächenverbund (II) aus mehreren Turbinenmodulen (I) zusammengefügt, deren Achsen (4) zum einen ausgehend von den Transmissionsrädern (8) über eine Transmission (9) untereinander verbunden sind und zum anderen über die Transmission (9.1) mit der Generatorwelle (5.1), die im Zentrum der Drehachse (5) für die Windausrichtung sitzt.
Der Turbinenverbund (II) ist in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Drehgestell (7) aufgesetzt.
4 zeigt den Flächenverbund (II) in der Frontansicht. In der unteren Ebene sieht man wiederum das Drehgestell (7) mit den aufgesetzten Windturbinen (I), die vertikal über die Achsen (4) aneinander gekoppelt sind und in der unteren Ebene, wie auch in 3 gezeigt, über die Transmission (9) und (9.1) zur Generatorwelle (5.1) verbunden sind.
Schematisch angedeutet ist der Windturbinenmast (11) mit einem Mastgehäuse (11.1) zur Aufnahme eines Generators und eine Drehlagertrommel (10) zur Lagerung des Drehgestells (7) mit dem aufgesetzten Turbinenflächenverbund (II).
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 3118067 A1 [0007]
DE 102007032843 A1 [0007]
DE 202007006141 U1 [0007]
DE 3638620 A1 [0007]
DE 8002785 GM [0007]
DE 102007032843 A [0009]

Claims

Windturbine (I) dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufeln (3.1) am Umfang, vorzugsweise bis zu 180 Grad, einzeln über Luftleitkanäle (2) von der umgelenkten Windströmung (6.1) beaufschlagt sind, wobei die aneinander liegenden Windleitkanäle (2) parallel zu den Turbinenschaufeln (3.1) ausgerichtet sind und auf der Einströmseite frontal zur auftreffenden Windströmung (6.1) stehen und auf der Turbinentrommel (3) zugewandten Seite die gleiche Strömungsrichtung aufweisen, wie die jeweils empfangenden Turbinenschaufeln (3.1) am Einlauf der Turbinentrommel (3).
Windturbine (I) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Windleitkanäle (2) dem Abstand zwischen den Turbinenschaufeln (3.1) am Außendurchmesser der Turbinentrommel (3) entspricht.
Windturbine (I) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Windleitkanäle (2) der Höhe der Turbinenschaufel (3.1) entspricht.
Windturbine (I) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Turbinentrommel (3) als auch die Windleitkanäle (2) in einem Windleitkasten (1) integriert sind.
Windturbine (I) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Windleitkasten (1) die Turbinentrommel (3) mit einer Windschattenzone (1.1) umschließt.
Windturbine (I) nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Windleitkästen (1) mit den integrierten Windleitkanälen (2) und der Turbinentrommel (3) zu einem Flächenverbund zusammengefügt sind.
Windturbine (I) nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen (4) von mehreren, übereinander gesetzten Windturbinen (I) durch Kupplungselemente in Reihe geschaltet sind.
Windturbine (I) nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, nebeneinander gesetzte Windturbinen (I) mit den am Ende der Wellen (4) angebrachten Transmissionsrädern (8) und der Transmission (9) parallel geschaltet sind.
Windturbine (I) nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine einzelne Windturbine (I) als auch ein ganzer Flächenverbund von Windturbinen (II) auf einem Drehgestell (7) mit der Drehachse (5) aufgesetzt ist.
Windturbine (I) nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens eine Windturbine (I) als auch ein ganzer Flächenverbund (II) mit dem Drehgestell (7) um die vorgelagerte Drehachse (5) selbsttätig nach der vorherrschenden Windrichtung ausrichtet.
Windturbine (I) nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Windleitkasten (1) an der Wind zu- und abgewandten Seite mit einem Vogel- und Fledermaus-Schutzgitter ausgestattet ist.