-
Stand der Technik
-
Vom Anlagentyp her ist die Windenergienutzung in der Gegenwart geprägt durch Propeller-Generatoren mit horizontaler Drehachse. Die Entwicklung hat ihre Ausprägung gefunden in Richtung größer dimensionierter Einzelanlagen wie auch der Aggregation von Anlagen in Windparks über Land oder vor den Küsten.
-
Für alle leistungsfähigen Anlagen kann gelten: Es entstehen hohe Aufwendungen mit entsprechenden Kostenfolgen für die Durchsetzung, Erschließung und Herstellung von Aufstellorten bis zum Plateau für eine Windkraftmaschine. Dieser Fundament-Kostenblock berührt in erheblichem Ausmaß die Wirtschaftlichkeit der Windkrafterzeugung.
-
Ein neuer technischer Ansatz böte die Möglichkeit einer neuen Antwort auf die naheliegende Frage, ob Windkraftanlagen unabdingbar nur auf 'Türme' gestellt werden können, die einzig zu diesem Zweck gebaut und unterhalten werden müssen.
-
Die Welt ist groß und bietet Möglichkeiten entsprechend groß an Zahl. Insbesondere in den Metropolen und Mega-Cities der Erde wird in immer größere Höhen gebaut. Dort lassen sich auch 'turmhohe' Aufstellflächen für dafür besonders geeignete Windkraftanlagen gewinnen. Mit etwas geringer gigantischen, dafür bei Anlegen selbst strengster Maßstäbe betriebssicheren und umweltgerechten Windkraftanlagen könnte dort auch eine stattliche Zahl von wirtschaftlich nutzbaren Standorten erschließbar werden. Dabei entsteht in der im ökologischen Sinne bereits vernutzten Fläche keineswegs unvermeidlich zusätzlicher Flächenbedarf. Zahlreiche Naturstandorte können völlig unberührt bleiben. Die Erzeugung von Windkraft hätte in mehrfacher Hinsicht eine weitaus günstigere Ausgangslage.
-
Die Nutzung von Aufsitzer-Standorten setzt anlagenseitig Eigenschaften voraus, die im wesentlichen einen sicheren Betrieb der Windkraftanlage bei wirtschaftlich vertretbaren Zusatzaufwendungen für die Gebäudestatik ermöglichen. Das im folgenden beschriebene neue Bauprinzip erhebt nicht weniger als den Anspruch, dieser Vorgabe weitreichend entgegen zu kommen.
-
Die Aufgabe der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Bau und den Betrieb von Windkraftanlagen zu ermöglichen und zu fördern, die
- • durch die synergetische Nutzung von geeigneten Aufstellorten auf bereits vorhandenen oder künftig erstellbaren Hochbauten von der Notwendigkeit dispensieren, zur Vergrößer Energiedargebotes einzig für diesen Zweck nutzbare 'Türme' errichten und unterhalten zu müssen,
- • wegen ihrer geringen Höhenerstreckung über Plafond einen sehr begrenzbaren Zusatzaufwand für die baustatische Fundierung benötigen,
- • ein minimiertes Gefährdungspotential aus dem Betrieb der Anlage darstellen,
- • in umweltschonender Hinsicht in bisher kaum erreichbarem Maße Vorteile aufweisen (z. B. Vermeidung von 'Schlagschatten' sowie nahezu die Aufhebung der 'Vogelschlag-Gefahr'),
- • kurze Wege zum elektrischen Leitungsnetz vorfinden.
-
Diese Aufgabenstellung erfordert eine neue Bauweise für einen dafür geeigneten Rotorflügel.
-
Zur Eigenart des neuen Rotorflügels
-
Die Hauptaufgabe jeder Art von Flügel in einer Windkraftanlage ist bekanntlich die Erzeugung und Gewinnung von Drehkraft. Anspruch auf Neuheit kann vor diesem Hintergrund nur eine neue Bauart von Rotorflügel erheben, mit dem die gewünschte Drehkraft gewonnen wird.
-
Die Erfüllung dieser Aufgabe wird möglich in einer Baugruppe von wesentlich neuen neben bekannten Bauteilen. Das äußert sich augenfällig in der Rotorkonfiguration. Zunächst: der Rotor schwenkt und rotiert in horizontaler Lage. Dazu sind mindestens zwei, in der Regel 3 Flügel der neuen Bauart an sternförmigen Auslegern (5.0) zu einem Rotorkorb (synonym Walzenrotor) (6.0) verbunden. Diese sternförmigen Ausleger können durch endständige Verstrebungen zwischen den Radialen zu annähernd gerundeten Seitenteilen für die Walzenrotoren verstärkt werden, in denen die Rotorflügel an beiden Enden mit gleichen Radial- und Winkelabständen von 120° gehalten sind. Der Rotationsbereich innerhalb der Rotorwalze bleibt dadurch frei von Bauteilen und aerodynamisch ungestört.
-
Zentriert in den Naben der Sternausleger (5.0) befinden sich Wellenflansche (5.1) zu den Außenseiten der Sternausleger. Die einander zugewandten Innenseiten zweier Sternausleger (5.2) sind die Verbindungsorte für die Rotorflügel (4.0), welche endständig und mit gleichen Radialabständen um die Naben der Sternausleger rotieren.
-
Der so gestaltete Rotorkorb (6.0) ist damit für die Aufnahme in ein schwenkbares Tragegestell zugerichtet und kann servomotorisch gesteuert und in Richtung geführt oder auch stillgelegt werden.
-
Der neue Flügel und seine Bauteile
-
Ein Flügel zur Montage in einem Rotorkorb (6.0) für richtungsgesteuerten Horizontalbetrieb (Rotorwalze) zeichnet sich aus durch drei seriell und wirtschaftlich herstellbare Baugruppen. Diese lassen sich in der Kontur eines in der Regel symmetrischen und weitestgehend laminaren Flügelprofils zu einer effizienten Einheit zusammen fassen:
- • Konvex-Konkaves Nasenprofil-Segment (1.0)
- • Segmentierter Bereich: Strömungsleitschaufeln (2.1)
- • Tropfenförmig profilierter Endflügel (3.0)
-
Die Baugruppen (1.0 und 3.0) sind z. B. in Hartschaumbauweise in beliebiger Länge bis zur Grenze der technischen Möglichkeiten wirtschaftlich günstig herstellbar.
-
Der Patentantrag erstreckt sich auf die Baugruppe (2.1), den segmentierten Bereich mit den Strömungsleitschaufeln.
- • Segmentierter Bereich mit Strömungsleitschaufeln
Die mittlere Zone der Rotorflügel ist gekennzeichnet durch eine Aneinanderreihung von flachen, schaufelartigen aerodynamischen Formteilen ( 2.1). Diese erstrecken sich über die ganze Flügellänge gegenständig zu beiden Seiten der Übergangszone (2.1 + 2.2). Nach Form und Funktion handelt es sich um Strömungs-Leitschaufeln (2.1). Die Flügellänge ist als Vielfaches der Breite der Strömungs-Leitschaufeln bestimmbar. Die Grundform dieser Teile zeigt eine breit anlaufende, zungenförmig schmäler werdende, flache Schaufelgestalt. Die Breitseite der Leitschaufeln (2.3) ist an das Nasenprofil-Segment (1.0) flächenbündig angefügt. In Strömungsrichtung verlaufend nimmt die Schaufelbreite ab (2.3). Die Schaufelkrümmung (2.7) folgt nahezu dem Verlauf der Flügel-Gesamtprofilkontur, läßt jedoch zwischen Schaufelende und Aufliegestelle über der Profilflanke des Endflügels eine niedrige Austrittsöffnung frei (2.5). Die beiden längsseitigen Ränder der Leitschaufeln (2.4) sind durch einen in Strömungsrichtung zunehmend stärker ausgeformten Randbogen gefaßt (2.4). Das Endstück des Randbogens ermöglicht über eine an die Strömungs-Leitschaufeln angeformte oder angebrachte Lasche (2.6) die Verbindung mit der Aufliegestelle auf der Profilflanke des Endflügels (3.0).
-
Die Aneinanderreihung der Leitschaufeln Seit an Seit übergreift die Übergangszone zwischen Flügelnase (1.0) und Endflügel (3.0), läßt jedoch in der Draufsicht spitzzüngig anlaufende Strömungseinlaßöffnungen frei (2.8). Auf der gegenüberliegenden Seite des Flügelprofils ist die Schaufelreihe um b/2 versetzt angeordnet (2.2), entsprechend beginnend und endend mit einer halben Schaufelbreite.
-
Die Wirkungen der Strömungs-Leitschaufeln
-
Mit Einsetzen der Rotation wird die Gesamtheit der Strömungsphänomene wirksam.
-
Ihre analytische Durchdringung und Beeinflussung durch zweckdienliche Formgestaltung ist für die Optimierung der Energieumwandlung und zur Minimierung von Umwandlungsverlusten von grundlegender Bedeutung. Entscheidende Weichenstellungen dafür finden ihren Niederschlag in der Installation und Auslegung der Strömungs-Leitschaufeln im mittleren Profilbereich der Rotorflügel. Deswegen und wegen der um die Profilform herum und durch die Profilform hindurch generierten Dynamik sind die Strömung-Leitschaufeln die dynamische Kernzone der Flügelbauweise.
-
Durch die Art und den Ort der Installation der Strömungs-Leitschaufeln bleiben die Eigenschaften der symmetrischen Profilform in jeder Hinsicht durchgängig erhalten. Ob Innen- oder Außenbahn, bei jedem Phasendurchlauf bleibt die Umströmung der Profilform als Trägerströmung, als Gleit- und Haftmittel der Grenzschicht aufrecht erhalten.
-
Unter dem Einfluß von Queranströmungen entsteht eine Art Modulationsströmung mit der Trägerströmung: Ein Teilbetrag der Queranströmung folgt der Trägerströmung in den Umströmungsverlauf, der andere Teil wird über die Einlaßöffnungen zwischen den Strömungs-Leitschaufeln als Durchströmung von der luvseitigen zur leeseitigen Flanke des Endflügels transferiert. Im Umströmungs- wie im Durchströmungvorgang läßt sich die Wirkungsweise der Strömungs-Leitschaufeln aufzeigen:
-
Der Umströmungsvorgang
-
Die induzierte Strömung um das Flügelprofil verläuft über das Nasenprofil-Segment (1.0), die Außenseite der Strömungs-Leitschaufeln (2.1) und wird über den Endflügel (3.0) abgeleitet. Im Zwischenbereich unterliegt die Strömung dem Einfluß der Strömungs-Leitschaufeln. Das von ihnen erzeugte Strömungsmuster gleicht dem Bild eines Flusses am Stauwehr, wenn der Strom wie durch Trennschwerter geteilt, strangartig und beschleunigt über das Wehr stürzt. Ein ähnlicher Effekt entsteht durch die Einlaßschlitze. Auf diese Weise wird die Umströmung über die Leitschaufeln hinweg beschleunigt und laminar gehalten über den folgenden Strömungsverlauf hinweg.
-
Die Querdurchströmung
-
Der andere wichtige Faktor für den Wirkungsgrad des Rotorflügels ist der Strömungsprozeß durch die Strömungs-Leitschaufeln in den Phasen der Queranströmung. Dieser Impuls der Queranströmung fließt als Radialbeschleunigung mit einem Teilbetrag über die spitzzüngigen Strömungseinlaßschlitze zwischen die Schaufeln ein. Die auf der Gegenseite b/2 versetzt angeordneten Leitschaufeln nehmen diese Impulse auf und leiten sie in den innenseitig als Rinnen wirkenden Leitschaufeln ab.
-
Der Drucküberschuß der Radialbeschleunigung kann durch diese Umverteilung verstetigt, also besser genutzt werden.
-
Primär steht das Ziel, im Rahmen des technisch und operativ optimierbaren die Flügelfläche in das Geschirr zu bringen. Aerodynamisch bedeutet dies auch die Bewältigung einer relativ großen Profiltiefe. Den Hauptansatz dafür bildet bei den Flügeln für Walzen-Rotoren die Übergangszone zwischen Nasenprofil-Segment und Endflügel. Diese Übergangszone erstreckt sich über die Strömungs-Leitschaufeln und im besonderen hier die Strömungseinlaßöffnungen (2.8). Die spitzzüngigen Einlaßöffnungen zwischen den längsseitigen Randbögen der Leitschaufeln (2.4) und deren Aufliegestelle auf dem Endflügel (3.0) sind der Einzugsbereich der Durchströmung.
-
Als Primär-Wirkung entsteht dadurch ein Staudruck-Abbau im Bereich der mittleren Profiltiefe. Gleichzeitig gelangt mit dem einhergehenden Strömungstransfer 'Zuluft' in die Zone der leeseitigen Strömungs-Leitschaufeln, verstärkt dort die Strömung und unterbindet oder minimiert zumindest dadurch Turbulenzen und Strömungsablösungen mit den entsprechenden Energieumwandlungsverlusten.
-
Durch die Strukturierung der induzierten Strömung wird auch jenem Betrag der Queranströmung, welcher der Umströmung zugeführt wird, die Grundlage für einen Interferenzeffekt bereitet.. Dieser begünstigt die geordnete Fortführung zusammengeleiteter Strömungsstränge.
-
Die Nutzanwendung
-
Grundsätzlich können Rotoren mit Flügeln der hier vorgestellten Bauweise zur Windkrafterzeugung sowohl für Horizontal- wie auch für Vertikal-Betrieb gebaut werden.
-
Die wirtschaftlich interessanteste Möglichkeit wird jedoch für Anlagen im Horizontalbetrieb gesehen: Rotoren als Verbund vorzugsweise von 3 Flügeln, die je an beiden Enden mit Rahmenteilen (Sternausleger 5.0) zu einem Rotorkorb (6.0) verbunden sind. Zentrierte Lagerwellen (5.1) befinden sich ausschließlich außenseitig an den Rahmenteilen. Dadurch ist der Rotationsbereich der Flügel strömungsrelevant völlig störungsfrei gestellt. Zur Erhöhung der Flügellänge bei Wahrung der Erfordernisse der Baustatik sind schmale Ringspante (6.1) geeignet. In dieser Konfiguration ist ein solcher Rotorkorb ein langlebiges, zuverlässiges Bauteil.
-
Anlage für Horizontalbetrieb
-
Eine baustatisch hochbelastbare Rotorbauweise mit in gleichem Maße vorteilhaften dynamischen Eigenschaften ermöglicht den Bau von Rotoren in größerem Maßstab. Die damit vorhandenen Möglichkeiten brauchen zu ihrer Verwirklichung eine für den Einbau der Rotoren geeignete Tragekonstruktion sowie Aufstellorte, die mit einer Anlage dieses Typs erschlossen werden können.
-
Anlagenseitige Erfordernisse
-
Eine Anlage für Horizontalbetrieb bedarf der Richtungsssteuerung, welche die Richtung der Rotationsachse senkrecht zur Windrichtung stellt. Die Tragekonstruktion des Rotors muß dazu auf einem Drehschemel gelagert werden. Erforderliche Schwenkbewegungen der Anlage um die vertikale Steuerachse können motorisch gesteuert werden.
-
Die Richtungssteuerung durch Schwenkung der Anlage erfüllt alle Steuerungsfunktionen.
- • Abregelung der Drehzahl in einfacher Weise durch Rückführung des Winkels zwischen Wind- und Rotations-Richtung von 90° gegen 0°.
- • Der Stillstand der Anlage zur Wartung oder Sturmsicherung kann herbeigeführt werden durch Parallelstellung der Rotorwalzen mit der Windrichtung.
-
Kaum überschätzbar ist darüber hinaus der Vorteil der starren Gestalt des Rotors. Keine Klappe muß bewegt und beweglich gehalten werden.
-
Mehrfachbelegung eines Aufstellortes
-
Horizontal gelagerte Rotorwalzen befinden sich in symmetrischer Position zur vertikalen Steuerachse des Tragegestells. Die Stützträger für die Auflagerung der Rotorwalze über dem aerodynamisch anprofilierten Stegboden können für eine Belegung in 2–3 Ebenen ausgelegt werden.
-
Mehrere Rotorebenen übereinander wären ein spürbarer Beitrag zur Erhöhung der Nennleistung und Wirtschaftlichkeit.
-
An einem bis in die Bereiche der Skyline exponierten Plafond auf einem Hochbau steht der Zusatzaufwand für eine sichere Fundamentierung in keinem Verhältnis zu den Aufwendungen für einen freistehend hochgeführten Turmbau. Neben der geringst möglichen Zusatzbelastung der Gebäudestatik eines vorhandenen 'Turmes' kommt die horizontale Erstreckung einer Rotoranlage auch den Aspekten der Hindernisfreiheit und den Erfordernissen der Sturmsicherung entgegen.
-
Der wirtschaftlichste Aufstellort
-
Unter den hier maßgeblichen Gesichtspunkten befindet sich der wirtschaftlichste Aufstellort für eine Windkraftanlage auf 'Türmen', die bereits gebaut sind oder zu diesem Zweck nicht eigens gebaut werden müssen. Diese Voraussetzung ist in idealer Weise dort erfüllt, wo bereits vorhandene oder künftig zu erstellende Hochbauten synergetisch als Aufstellort für eine Windenergieanlage genützt werden können.
-
Über exponierten Aufstellorten mit einer Plateauhöhe ab etwa 100 m über Grund steht weithin ein Energiedargebot bereit, das den Einsatz von Anlagen mit horizontaler Rotationsachse vor allem unter ökologischen Gesichtspunkten geradezu aufdrängt. Die aerodynamischen Gegebenheiten über Hochbauten sind in Abhängigkeit von Grundrißformen und Flächenverhältnissen dadurch gekennzeichnet, daß ein Betrag der horizontalen Windströmung vor der Gebäudesilhouette aufsteigt, die Plattform überströmt und zusammen mit der freien Strömung einen Beschleunigungsvorgang aufrecht erhält.. Die gleiche Windgeschwindigkeit wie über dem Höhenbereich nahe der Plattform ist erst wieder in einer nennenswert größeren Höhe zu erwarten. Vom Energiedargebot her ähnlich günstige Voraussetzungen gelten auch in Bereichen mit ausgeprägten Land/Seewind- oder Passatwindsystemen wie ebenfalls in Küsten- oder Bergregionen, wo Anlagen des beschriebenen Typs bodengestützt unmittelbar aufgestellt werden könnten.
-
Weitergefaßte Aspekte
-
- – Technologische
Die Herstellung des Rotors setzt im wesentlichen nichts anderes als die Spezialisierung bekannter und bewährter Verfahren voraus. Die Art der Bauteile ist in höchstem Maße der Vorfertigung zugänglich und ermöglicht eine rationale Serienfertigung. Die Baugröße/Nennleistung kann auch nach einem Modulsystem aufgestuft werden.
- – Ökologische
Gerade auch im Betriebszustand hat das hier vorgestellte Rotorsystem stets eine ortsfeste Silhouette, ein deutlich umrissenes 'Standbild'. Dieser Umstand berechtigt zu der Annahme, daß Vorgelschlag zum Leiden der Kreaturen wie zum Schaden der Anlage allenfalls noch marginale Bedeutung hat.
- – Volkswirtschaftliche
Neben dem Beitrag zur Erzeugung regenerativer Energie kann das hier vorgestellte System als Alternativ- oder Konversionsprodukt z. B. für den Sektor Tragflügelbau der Flugzeugindustrie Bedeutung erlangen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1.0
- Nasenprofil-Segment
- 2.0
- Strömungskammer
- 2.1
- Strömungs-Leitschaufel SLS
- 2.2
- SLS-gegenständig
- 2.3
- SLS-Breitseite
- 2.4
- SLS-Randbogen
- 2.5
- SLS-Schmalseite, Auslaßöffnung
- 2.6
- SLS-Lasche
- 2.7
- SLS-Krümmung
- 2.8
- Strömungs-Einlaßöffnung
- 3.0
- Endflügel
- 4.0
- Rotorflügel
- 5.0
- Ausleger, sternförmig
- 5.1
- Wellenflansch/Außenseite
- 5.2
- Flügelflansch/Innenseite
- 6.0
- Rotorkorb
- 6.1
- Ring-Spant
