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Die Erfindung betrifft ein Turbinensystem für Windkraft mit zwei Radialturbinen, die einen um eine vertikale Achse drehbaren Rotor aufweisen, welcher einen oder mehrere Turbinenflügel umfasst, wobei die Turbinenflügel parallel zur Rotorachse ausgerichtet sind, wobei ein V-förmiger und parallel zu den Rotorachsen ausgerichteter Windverteiler vorgesehen ist, welcher die Radialturbinen zumindest teilweise abzuschatten in der Lage ist.
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Stand der Technik
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Ein Turbinensystem der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2012/038 043 A2 des Anmelders bekannt.
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Hier werden zur Effizienzverstärkung zwei Turbinen-Leitblech-Systeme als Windverteiler-System spiegelbildlich zusammengeführt, so dass zum Beispiel bei senkrechter Drehachse und Blick in die Hauptwindrichtung das linke Leitblech den Wind zur linken Turbine und das rechte Leitblech den Wind zu rechten Turbine ableitet. Dabei können nach diesem Dokument die Leitbleche zu einem geschlossenen Windführungssystem, dem Windverteiler, in Form einer „Nase” mit abgerundeten „Nasenrücken” als Verbindung der beiden Leitbleche vorteilhaft ausgebildet sein. Dadurch wird ein V-förmiger Windverteiler erhalten.
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Weiterhin wird in dem Dokument vorgeschlagen, dass der Abstand des V-förmigen Windverteilers zu den Turbinen variabel und verstellbar ist, um für alle Windverhältnisse optimale Betriebsbedingungen zu erreichen. Der V-förmige Windverteiler wird je nach Windgeschwindigkeit in die optimale Stellung, bezogen auf Abstand und Neigung zu den Turbinenblättern und der Turbinenachse, gebracht.
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Nähere Einzelheiten zu der Verstellbarkeit des V-förmigen Windverteilers sind hier allerdings nicht offenbart.
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Ein Vorteil der Savonius-Turbinen ist deren Robustheit, so dass sie auch hohen Windgeschwindigkeiten standhalten können. Die Turbinen rotieren dann sehr schnell, ohne zerstört zu werden. Aber die angeschlossenen Generatoren sind für solche hohen Drehzahlen nicht ausgelegt.
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Eine Drehzahlbegrenzung ist daher notwendig. Nahe liegend ist es daher, bei zu hohen Windgeschwindigkeiten die Turbinen abzuschalten oder Bremsen einzusetzen, die nach dem Reibungsprinzip arbeiten. Ein Nachteil liegt jedoch in dem Verlust der Windenergie, die entweder überhaupt nicht mehr nutzbar ist oder zum Teil nutzlos in Reibungswärme umgewandelt wird.
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Aufgabe und Lösung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung: Ausgehend von dem bekannten Turbinensystem stellte sich das Problem, einen Schutz der Generatoren vor zu hohen Drehzahlen bei hohen Windgeschwindigkeiten zu erreichen, ohne dass die geerntete Windenergie nutzlos in Wärme umgewandelt wird. Zudem soll der Nachteil der Reibungsbremsen vermieden werden, dass die verschlissenen Bremsbeläge ausgetauscht werden müssen. Schließlich soll das Bremssystem bei stürmischen Windverhältnissen auf keinen Fall ausfallen, wie es bei hydraulischen oder Reibungs-Bremsen der Fall sein kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Turbinensystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine reibungsfreie Bremseinrichtung zur Regulierung der Turbinendrehzahl bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten vorgesehen ist, durch welche die vom Windverteiler abgeschattete Fläche der Radialturbinen veränderbar ist. Ein veränderlicher Anteil der wirksamen Fläche der Radialturbinen soll also im „Windschatten” des Windverteilers liegen.
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Erfindungsgemäß kann der Windverteiler für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten verstellt werden, um für alle Windverhältnisse optimale Betriebsbedingungen zu erreichen. Dabei ist das Turbinensystem auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten selbststartend, die Schnelllaufzahl (englisch: tip speed ratio = TSR) möglichst hoch und vorzugsweise größer als 3, auch bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten. Der Wirkungsgrad ist ebenfalls sehr hoch.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die zwei nebeneinander und parallel ausgerichteten Radialturbinen (1, 2) miteinander verbunden und um eine Schwenkachse (15) parallel zu den Turbinenachsen (18) verschwenkbar sind, wobei die Schwenkachse und der V-förmiger Windverteiler (3) außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen und beide auf der gleichen Seite der Verbindungslinie liegen. Dadurch kann sich das erfindungsgemäße System, welches auf einem Mast gelagert ist, eigenständig in den Wind drehen und somit immer optimal vom Wind angeströmt werden. Das „In den Wind drehen” ist bei mehreren konkreten Modellen im freien Wind nachgewiesen worden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Ausführungsbeispiel
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
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Es zeigen
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1 eine perspektivische Darstellung der Windkraftanlage mit zwei Radialturbinen nach dem Stand der Technik der
WO 2012/038 043 A2 des Anmelders,
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2 die konstruktiven Details eines Ausführungsbeispiels nach der
WO 2012/038 043 A2 als Rohrmast-Aufhängungssystem in einer Ansicht von der Seite entsprechend A-A in
3,
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3 eine Aufsicht auf die Windkraftanlage nach 2,
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4 den Fadentest,
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5 und
6 eine weiter verbesserte Windkraftanlage nach der
WO 2012/038 043 A2 in verschiedenen perspektivischen Ansichten,
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7 eine Gittermastkonstruktion nach der
WO 2012/038 043 A2 , die als Gerüst für das spezielle Akkumulatoren- und Turbinen-Aufhängungssystem genutzt wird und/oder werden kann,
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8 den Schnitt A-A nach 7,
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9 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Turbinensystem bei entferntem oberen Abschlussblech in einer Stellung des Windverteilers für niedrige Windgeschwindigkeiten,
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10 eine Ansicht entsprechend 9, aber für höhere Windgeschwindigkeiten, etwa ab 6 bis 7 m/s,
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11 eine Ansicht entsprechend 9 und 10, aber mit einer Einstellung des Windverteilers für sehr hohe Windgeschwindigkeiten und Sturm,
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12 eine Darstellung entsprechend 10, aber mit dem unteren Abschlussblech,
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13 eine schematische Darstellung einer Ansicht von der Seite auf eine Savonius-Turbine nach dem Stand der Technik und
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14 eine Darstellung entsprechend 13, aber für das erfindungsgemäße Turbinensystem.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Windkraftanlage mit zwei Radialturbinen 1, 2 und einem V-förmigen Windverteiler 3, wobei Radialturbinen und Windverteiler als Ganzes um eine vertikale Achse drehbar (schwenkbar) an einem Stahlmast 5 oder einem anderen Fundament 6 angebracht sind.
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Vorzugsweise ist der Abstand des V-förmigen Windverteilers zu den Turbinen variabel und verstellbar, um für alle Windverhältnisse optimale Betriebsbedingungen zu erreichen.
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Der V-förmige Windverteiler wird je nach Windgeschwindigkeit in die optimale Stellung, bezogen auf Abstand und Neigung zu den Turbinenblättern und der Turbinenachse, gebracht.
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Bei einer Gesamthöhe von 20 m beträgt die Höhe der Turbinen 10 m. Die Turbinen haben einen Durchmesser von 1 m. Die erwartete Kapazität bei einem Küstenstandort, wo die Windkraftanlage den zirkulierenden Küstenwind auffängt, beträgt ca. 21700 kWh, jährlich gemittelt mit einem Wirkungsgrad von 38%.
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2 zeigt die konstruktiven Details eines Ausführungsbeispiels als Rohrmast-Aufhängungssystem in einer Ansicht von der Seite entsprechend A-A in 3. An dem 20 m hohen Stahlmast 5 sind drei Trägerplatten 7, 8, 9 mittels Lager 10, 11, 12, 13, 14 drehbar um die Längsachse 15 des Stahlmastes 5 angebracht. Die untere Trägerplatte 7 hat drei Drehlager 10 am Stahlmast 5 und zwei Turbinenlager 16, 17 an der Turbinenachse 18. Die mittlere Trägerplatte 8 hat drei Drehlager 12 und zwei Turbinenlager 19, 20 und die obere Trägerplatte 9 hat drei Drehlager 14 und zwei Turbinenlager 21, 22. Die Turbinenlager 17, 20 und 22 sind in 2 nicht dargestellt und gehören zur anderen Turbine.
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Die Drehlager 10, 11 einerseits und 13, 14 andererseits sind durch einen Distanzkragen 23, 24 auf Abstand gehalten. Der Distanzkragen ist ausgebildet als Hohlrohr.
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3 zeigt schließlich eine Aufsicht auf die Windkraftanlagen. Erkennbar sind die Turbinenschaufeln 25. Eingezeichnet ist mit einem Pfeil auch die Windrichtung, wenn sich die Windkraftanlage erfindungsgemäß in den Wind gedreht hat, so dass die Spitze des V-förmigen Windverteilers 3 dem Wind entgegen zeigt.
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Mit der Anlage wurde ein so genannter Fadentest durchgeführt (4). Wind 28 bis 6 m/s blies gegen die Anlage. Das Verhältnis von der Umfangsgeschwindigkeit der Turbine zum Wind war bis zu 3:1. In 4 ist der Abriss der Fadenrichtung (unten im Bild) deutlich erkennbar. Die Anlage kann Energie aus der Druckdifferenz oder der potentiellen Energie des Windes extrahieren, nicht bloß aus der kinetischen Energie der bewegten Luft.
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Die Bedeutung der Bezugszahlen in 4 geht aus der Bezugszeichenliste hervor.
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Ein Nebeneffekt ist der Pingpong-Ball, der in einem schrägen Luftstrahl „hängt”: Durch den Coanda-Effekt löst die Strömung des Luftstrahles nicht vom Ball ab, sondern umrundet ihn (fast) völlig ohne Ablösung. Da der Ball leicht unterhalb des Zentrums des Luftstrahles hängt, erfolgt die Umströmung nicht symmetrisch. Es wird mehr Luft nach unten abgelenkt, da an der Unterseite des Balles die Strömungsgeschwindigkeit und der Strahlquerschnitt gegenüber der Oberseite geringer sind. Als Reaktion erfährt der Ball eine Kraft nach oben. Dies erfolgt in Überlagerung mit dem Magnus-Effekt (der Ball dreht sich). Beide Effekte, jeder für sich, lassen den Ball nicht nach unten fallen, sondern nur an der Unterseite des Luftstrahles entlang-„rutschen”. Der Widerstand, den der Ball der Strömung entgegensetzt, hält ihn auf Distanz zur Düse und die Schwerkraft verhindert, dass er einfach weggeblasen wird. So kann der Ball in einer mehr oder weniger stabilen Position schweben.
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Die 5 und 6 zeigen eine weiter verbesserte Windkraftanlage in verschiedenen perspektivischen Ansichten. Der praktische Betrieb hat gezeigt, dass die Windkraftanlage praktisch geräuschlos und sehr vibrationsarm arbeitet. Etwaige Druckschwingungen liegen im unhörbaren Bereich unterhalb von 20 Hz. Der leichte und gut gewuchtete Aufbau der rotierenden Teile sorgt für die beobachtete Vibrationsarmut. Dadurch ist diese Windkraftanlage hervorragend im urbanen Bereich an und/oder auf Gebäuden einsetzbar.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird oberhalb der Drehverbindung, die auf einem feststehenden Mast befestigt ist, eine Gittermastkonstruktion vorgesehen, die als Gerüst für das spezielle Akkumulatoren- und Turbinen-Aufhängungssystem genutzt wird und/oder werden kann (vgl.
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7 und Schnitt A-A als 8). Der Hohlraum innerhalb des Gittermastes bietet genügend Platz für die sichere Aufstellung/Befestigung von Akkumulatoren und der Ladesteuerung; gleichzeitig können die Kabellängen zum Generator kurz gehalten werden, um Ohm'sche Verluste gering zu halten.
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Da der Turm im unteren Bereich unterhalb der Drehverbindung aus Stahlrohr hergestellt ist, bildet er einen Hohlraum, der dazu genutzt werden kann, hochsensible Technik sicher zu installieren, da auch eine Belüftung und/oder Heizung und/oder geeignete Klimatisierung (air conditioning), besonders bezüglich der Luftfeuchtigkeit, vorgesehen sein kann.
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Das Fundament kann in seiner Ausführung als weiterer Energiespeicher oder als Wasserreservoir oder als Ölspeicher genutzt und als solcher konzipiert werden. Im Fundament können Wärmepumpen (heat pumps with heat pipes) integriert werden.
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Im Folgenden werden die erfindungsgemäßen Verbesserungen des Turbinensystems anhand der 9 bis 14 näher erläutert.
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Die Darstellung nach 9, nämlich die Draufsicht auf das Turbinensystem mit abgenommenem oberen Abschlussblech und in schematischer Darstellung zeigt die beiden Radialturbinen 1, 2, die hier im konkreten Beispiel einen Abstand von 3,0 m haben und über ein Grundgerüst 310 miteinander und mit dem Stahlmast 5 sowie dem Windverteiler verbunden sind. Der Windverteiler weist zwei Flügel 306, 307 auf, die über eine Blattfeder 313 miteinander und mit dem Grundgerüst 310 verbunden sind, so dass der Winkel zwischen den Flügeln 306, 307 veränderbar ist. Diese Veränderung wird durch zwei Hydraulikzylinder 308, 309 ermöglicht, welche einerseits am Grundgerüst 310 und andererseits am jeweiligen Flügel 306, 307 befestigt sind.
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Zusätzlich können die Hydraulikzylinder 308, 309 die effektive Fläche der Flügel 306, 307 verändern, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Die Flügel 306 und 307 bestehen aus zwei Aluminiumplatten 314, 315, die über eine Schienenanordnung 318 nach dem Nut- und Federprinzip gegeneinander verschiebbar sind, um die effektive Fläche der Flügel 306 bzw. 307 zu verändern.
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Die Hydraulikzylinder 308, 309 werden über jeweils einen Stellmotor 319 betätigt, der auf der Befestigungsachse des Hydraulikzylinders bezüglich des Grundgerüstes angebracht ist.
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Im Beispiel A entsprechend 9 sind die Flügel 306, 307 auf einen Wind mit einer Geschwindigkeit von weniger als 5 bis 6 m/s ausgelegt. Der Abstand a zwischen dem äußeren Ende der Flügel des Windverteilers und dem äußeren Umfang der Radialturbinen ist kleiner als 30 mm. Damit wird dieser schwache Wind optimal ausgenutzt.
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10 zeigt eine entsprechende Anordnung wie 9 für das Beispiel B mit einer Windgeschwindigkeit von mehr als 6 bis 7 m/s. Hier ist der Winkel zwischen den Flügeln 306, 307 auf ein Minimum verkleinert und der Abstand der Flügel zu den Radialturbinen ist deutlich größer, nämlich 90 mm.
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Im Beispiel C nach 11 sind die Flügel zu ihrer größtmöglichen Fläche ausgefahren und der Abstand a beträgt hier 60 mm. Diese Anordnung ist für besonders starken Wind oder Sturm geeignet.
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Das Turbinensystem kann auf diese Weise eingestellt werden. Diese Justierung wirkt wie eine reibungsfreie Bremse des Generators, und zwar für jede Windgeschwindigkeit und auch für Sturm.
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12 zeigt eine Ansicht entsprechend 10, aber mit dem unteren Abschlussblech 311, welches zur Windseite hin eine Abkantung 312 hat. Wie auch in den anderen Figuren haben die beiden Radialturbinen 1 und 2 einen Durchmesser von 1,5 m. In Feldversuchen wurde herausgefunden, dass die Schnelllaufzahl der Turbine (TSR, bezogen auf die Windgeschwindigkeiten) über 3 war. Diesen Wert hat man nur dann erreicht, wenn bei den betreffenden Windgeschwindigkeiten der Winkel zwischen den Flügeln des Windverteilers wie in den Beispielen A und B (9 und 10) eingestellt war. Das Beispiel C entsprechend 11 zeigt einen justierbaren Windverteiler, der vorzugsweise einzusetzen ist. Sonst fällt die Schnelllaufzahl (TSR) auf niedrige Werte ab, etwa 30% der Leistung geht verloren und das Turbinensystem ist nicht mehr selbststartend, so wie Turbinensysteme nach dem Stand der Technik in der Regel ebenfalls nicht selbststartend sind.
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Das Grundgerüst 310, welches sowohl die Turbinenlager als auch den Windverteiler trägt, ist aus Stahl hergestellt, um die notwendige Stabilität auch in Stürmen zu haben sowie um Vibrationen und Lärm, wie er bei Turbinensystemen nach dem Stand der Technik auftritt, erheblich zu verringern oder sogar völlig auszuschließen.
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Die Abschlussbleche, die ebenfalls vom Grundgerüst 310 getragen werden, decken das Turbinensystem oben und unten ab und zwingen die Luft in die Radialturbinen 1 und 2 einzuströmen. Die Abschlussbleche sind etwa 5% länger als der Durchmesser der Turbine, der in diesem Fall 1,5 m beträgt.
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Damit die Turbine sich dreimal schneller als die Windgeschwindigkeit im Freilauf bewegt (rotiert), ist es erforderlich, dass die Abschlussbleche 303 und 311 an der dem Wind zugewandten Seite abgekantet sind, insbesondere um mindestens 20 bis 30%.
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13 zeigt eine Ansicht von der Seite auf eine Savonius-Turbine nach dem Stand der Technik, welche zwar Abschlussbleche 303, 311 aufweist, die aber nicht die Abkantungen 302, 312 haben. Die Abschlussbleche stehen zwar etwa 5% über dem Turbinenquerschnitt über, wie aus 13 deutlich hervorgeht, aber diese Turbine nach dem Stand der Technik, entwickelt im Jahre 1927 von Savonius, ist nicht immer selbststartend. Sie erreicht eine Schnelllaufzahl (TSR) von maximal 1,5 bis 1,8.
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Dagegen ist das erfindungsgemäße Turbinensystem anders aufgebaut, wie in 14 deutlich erkennbar ist. Zum einen arbeitet dieses Turbinensystem mit Abkantungen 302, 312, so dass die Abschlussbleche 303, 311 wie Konzentrationsbleche wirken, die den Wind konzentriert und gebündelt in die Radialturbine leiten. Damit kann 25% und mehr des Turbinengewichtes eingespart werden. Dieses Turbinensystem ist in jedem Fall selbststartend und kann eine Schnelllaufzahl (TSR) von über 3 erreichen. Ein weiterer Unterschied liegt in dem Spalt 320 zwischen den Radialrotoren und den Abschlussblechen 303, 311. Die Konzentrationsbleche sind erfindungsgemäß nämlich feststehend und drehen sich nicht zusammen mit der Radialturbine. Auch hier stehen die Abschlussbleche um 5% bezogen auf den Turbinendurchmesser über. Zusätzlich gibt es einen Überstand von 8%, ebenfalls bezogen auf den Turbinendurchmesser, welcher mit einem Winkel von 20 bis 30% abgekantet ist, nämlich beim unteren Abschlussblech 311 nach unten und beim oberen Abschlussblech 303 nach oben, wie deutlich aus 14 hervorgeht.
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Das Turbinensystem in der Ausführung nach 14 erreicht etwa 3,5 mal größere Drehzahlen als die Ausführung nach 13. Auch die erreichbaren Drehmomente sind größer. Als Folge ist die Leistungsausbeute erheblich größer.
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Die Abschlussbleche in 14 können außerdem erheblich dünner als im Stand der Technik nach 13 sein. Das Konstruktionsgewicht und eventuelle mechanische Spannungen sind erheblich reduziert.
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Weitere Vorteile sind die robuste Konstruktion, die nur geringe Anzahl von beweglichen Teilen (die dem Reibungsverschleiß unterliegen), die Möglichkeit zur Wartung oder Reparatur der Teile ohne Zuhilfenahme von Kränen, die Austauschmöglichkeit der Lager mit konventionellen Werkzeugen, die Verwendung von industriellen und genormten Teilen und Größen zur Kosteneinsparung und Minimierung der Wartungszeiten.
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Weitere Vorteile liegen in dem nur geringen Wartungs- und Reparaturaufwand. So braucht das Turbinensystem nur einmal pro Jahr eine Wartungsinspektion. Die vier Lager in jeder Turbine müssen nur alle 5 bis 10 Jahre gewechselt werden, die beiden Generatorenlager sogar nur alle 10 bis 20 Jahre. Die Lager in dem Schwenkachsensystem haben nur einen geringen Verschleiß mit nur geringen Austauschkosten. Die elektrischen Komponenten müssen nur alle 10 bis 10 Jahre ausgetauscht werden. Andere Verschleißarten außer Reibung oder Dehnung infolge von mechanischer Spannung treten nicht auf. Die Turbine vom Typ Savonius kann jede Windgeschwindigkeit und sogar Stürme ohne Schaden überstehen.
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Sogar bei großen Dimensionen ist das erfindungsgemäße Turbinensystem selbststartend.
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Infolge des hohen Drehmomentes kann die Turbine als Wasserpumpe eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radialturbine
- 2
- Radialturbine
- 3
- Windverteiler
- 5
- Stahlmast
- 6
- Fundamentplatte
- 7
- Trägerplatte
- 8
- Trägerplatte
- 9
- Trägerplatte
- 10
- (Dreh-)Lager
- 11
- (Dreh-)Lager
- 12
- (Dreh-)Lager
- 13
- (Dreh-)Lager
- 14
- (Dreh-)Lager
- 15
- Längsachse
- 16
- Turbinen-Lager
- 18
- Turbinenachse
- 19
- Turbinen-Lager
- 21
- Turbinen-Lager
- 23
- Distanzkragen
- 24
- Distanzkragen
- 25
- Turbinenschaufeln
- 26
- oberer Kragenflansch
- 27
- Führungsflansch
- 28
- Wind
- 31
- Magnus-Effekt
- 32
- Coanda-Effekt
- 33
- Magnus-Coanda-Überlagerung
- 34
- High Lift
- 35
- Unterdruck
- 36
- Überdruck
- 37
- Fadenrichtung riss ab
- 301
- Außenradius der Turbine bzw. der Turbinenflügel
- 302
- Abkantung des oberen Konzentrations- und/oder Windführungsbleches 303
- 303
- oberes Konzentrations- und/oder Windführungsblech, oberes Abschlussblech
- 304
- Gittermast
- 305
- V-förmiger Windverteiler
- 306
- Flügel des Windverteilers
- 307
- Flügel des Windverteilers
- 308
- Hydraulikzylinder
- 309
- Hydraulikzylinder
- 310
- Grundgerüst
- 311
- unteres Abschlussblech
- 312
- Abkantung von 311
- 313
- Blattfeder
- 314
- Aluminiumplatte (Aluminiumblech)
- 315
- Aluminiumplatte (Aluminiumblech)
- 316
- Aluminiumplatte (Aluminiumblech)
- 317
- Aluminiumplatte (Aluminiumblech)
- 318
- Schienenanordnung (Nut und Feder)
- 319
- Stellmotor
- 320
- Spalt
- 321
- Verstärkungsrippe
- 322
- Verstärkungsrippe
- a
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/038043 A2 [0002, 0015, 0016, 0019, 0020]
