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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Nutzen von Windenergie nach dem Anspruch 10.
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Aus dem Stand der Technik sind Windkraftanlagen und Verfahren zur Windenergienutzung mit horizontalen und vertikalen Rotoren bekannt. Der Vorteil der Rotoren mit horizontaler Drehachse ist in der Regel eine hohe Effizienz, der Nachteil ist ein großer Platzbedarf. Es werden in der Regel hohe Masten benötigt. Windkraftanlagen mit horizontalen Rotoren sind in der Bevölkerung sehr umstritten. Als Nachteile werden von Kritikern Schattenwurf, Diskoeffekt, Hindernisbefeuerung, Windgeräusche, Landschaftsverschandlung und Tourismusbeeinflussung genannt. Die Entwicklung führt zu immer größeren Masten und steigenden Kosten. Auch Wartungskosten für Ersatzteile, Reparaturen sowie Servicearbeiten bringen sehr hohe Kosten mit sich und sind nur von großen Konzernen und Spezialfirmen sowie Spezialfachkräften zu bewältigen. Große Anlagen bringen größere Konstruktions- und Belastungsprobleme mit sich. Dadurch haben sie einen wesentlich größeren Raumbedarf und belasten mehr die Umwelt.
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Horizontale Rotoren eignen sich eher weniger für die private Nutzung. Vertikale Rotoren, das heißt Rotoren mit vertikaler Drehachse sind vorteilhaft auch in kleineren Ausführungsformen nutzbar, weisen jedoch einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad auf. Da sich ein Teil der Rotorblätter immer gegen den Wind bewegen muss, weisen diese zudem im Vergleich zu horizontalen Anlagen einen aerodynamischen Nachteil auf. Dadurch kommt es zu Hürden und ungleichmäßigen Belastungen als bei modernen horizontalen Achsen. Die bisherigen Vertikalläufer laufen schwer von selbst an und brauchen oftmals Fremdenergie zur Betriebsaufnahme.
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Um Verluste bei vertikalen Anlagen zu minimieren, wird mit Einleitflächen und Ausleitflächen, wie beispielsweise in der Druckschrift
DE 19957141 A1 , gearbeitet. Ein anderer Lösungsansatz, wie in der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 226 174 A1 , beschreibt, dass Rotorblätter mit speziellen Formen ausgestattet sind, die je nach Orientierung einem Luftstrom eine größere oder kleinere Angriffsfläche bieten. Die Effektivitätssteigerung ist jedoch begrenzt.
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Ein weiteres Problem bei Windkraftanlagen aus dem Stand der Technik ist die große Schallbelästigung, die insbesondere von horizontalen Windkraftanlagen ausgeht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage bereitzustellen, welche auch in kleineren Maßstäben realisierbar ist und ohne den aerodynamischen Nachteil sich gegen den Wind bewegender Rotorblätter auskommt. Eine weitere Aufgabe ist eine Senkung der äußeren Schallbelastung.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Windkraftanlage nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Nutzen von Windenergie nach dem unabhängigen Anspruch 10.
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Erfindungsgemäß umfasst die Windkraftanlage wenigstens einen Rotor zum Umwandeln von Windenergie in Rotationsenergie mit wenigstens zwei Rotorblättern.
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Kerngedanke der Erfindung ist, dass dem wenigstens einen Rotor wenigstens ein Windumlenkelement in einer Luftströmungsrichtung vorgeordnet ist, das eine Hauptströmungsrichtung eines einfallenden Windes um einen Winkel zwischen 60° und 120°, bevorzugt um einen Winkel zwischen 80° und 100° umlenkt. Durch das zusätzliche Windumlenkelement ist es vorteilhaft möglich, den wenigstens einen Rotor wie einen üblichen horizontalen Rotor zu konzipieren und ihn dennoch in einer vertikalen Achsanordnung zu positionieren. Durch das Windumlenkelement können horizontale Luft- oder Windströme in vertikale Auf- oder Abwinde umgewandelt werden, die dann von unten oder von oben auf den wenigstens einen Rotor treffen können.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform lenkt das wenigstens eine Windumlenkelement einen im Wesentlichen horizontalen Luftstrom in einen im Wesentlichen vertikalen Luftstrom um. Selbstverständlich ist die Anordnung nicht darauf beschränkt, den Rotor mit einer vertikalen Achse auszustatten. Selbstverständlich ist es auch möglich, übliche vertikale Anordnungen um 90° zu drehen, sodass ihre üblicherweise vertikale Achse horizontal verläuft, sodass vertikale Auf- oder Abwinde dann orthogonal zur Rotorenachse auf den wenigstens einen Rotor treffen können.
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Die entscheidende Idee ist, dass die Windkraftanlage ein Windumlenkelement aufweist. Dabei ist es denkbar, dass der wenigstens eine Rotor zusammen mit seiner Aufhängung an einem Gestell befestigt ist, das den wenigstens einen Rotor räumlich oberhalb oder unterhalb des wenigstens einen Windumlenkelementes positioniert und mit diesem verbindet. Anstelle eines Metallgestelles ist auch ein Gestell aus Kunststoff oder Holz denkbar. Denkbar sind auch Konstruktionen und Kompositionen aus verschiedenen Materialien.
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Der Vorteil des Wind umlenkelementes ist fernerhin, dass die Geräuschbelastung bei Aufwinden kleiner wird, da die Hauptschallachse nach oben geht. Denkbar ist, dass auf mehreren Haltestangen ein Ring befestigt ist, der in seinem Durchmesser größer ist als der Rotor. Vorteilhaft weist dieser Ring eine Querstrebe auf, an dessen Mittenbereich ein zugehöriger Stator angeordnet ist, an dem der Rotor dann rotierbar aufgehängt werden kann. Dies ist jedoch nicht beschränkt zu verstehen. So ist es auch möglich, dass ein Stator aus einer mittigen Säule besteht, die an einem unteren Bereich befestigt ist und mit dem Rotor rotierbar verbunden ist.
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Sämtliche andere Anordnungen, die eine Positionierung des Rotors ober- oder unterhalb des Windumlenkelementes gestatten, sind ebenfalls denkbar. Vorteilhaft besteht das Windumlenkelement aus einem Blechmaterial, vorzugsweise Weißblech. Dies ist aus Korrosionsgründen besonders vorteilhaft. Denkbar sind jedoch auch verschiedene Kunststoffe oder Holz. Kunststoffe sind besonders leicht, jedoch nicht besonders widerstandsfähig. Auch Aluminiumbleche oder jede andere Metallblechvariante ist denkbar. Die Rotorblätter bestehen vorteilhaft aus einem Kunststoff. Vorteilhaft ist bei Kunststoff die Leichtigkeit, die jedoch Einbußen bei der Stabilität mit sich bringt. Für die Stabilität besonders vorteilhaft ist ein Holzmaterial, das jedoch aus anderen Gründen, wie z. B. der Witterungsbeständigkeit oder des Gewichtes, nachteilig sein könnte. Auch ein Verbundfasermaterial, wie z. B. Carbonfaser, ist denkbar.
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Vorteilhaft ist eine Projektion der Fläche des wenigstens einen Windumlenkelementes auf eine horizontale Fläche in ihrer Fläche mindestens so groß wie eine Fläche des Rotors mit Rotorblättern. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine besonders große Windstrommenge umgelenkt und auf den Rotor geführt werden kann. Dabei ist es möglich, dass das Windumlenkelement ebenfalls rotierbar ist, sodass eine Anpassung an die Windrichtung möglich ist. Denkbar ist jedoch auch, dass die Projektion der Fläche des wenigstens einen Windumlenkelements oder mehrerer Windumlenkelemente die Form eines Ringes aufweist, der besonders vorteilhaft eine größere Breite aufweist als ein Radius der Rotorblätter. Auch so kann eine besonders große Windstrommenge umgelenkt und auf den Rotor geführt werden. Vorteilhaft ist jedoch eine statische Anbringung des wenigstens einen Windumlenkelementes, da auf diese Weise auf eine Einstellung der Windrichtung verzichtet werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das wenigstens eine Windumlenkelement wenigstens eine Platte auf, die in einem Winkel zwischen 25° und 65°, bevorzugt zwischen 35° und 55°, zur Vertikalen angeordnet ist. Durch eine bevorzugt ebene Platte wird ein im Wesentlichen paralleler Luftstrom in einen weiterhin im Wesentlichen parallelen Luftstrom umgelenkt. Auf diese Weise ist eine effektive und kompakte Bauweise möglich. Es ist jedoch auch denkbar das wenigstens eine Windumlenkelement in der Form eines Halbkreises, eines Parabols, hyperbelförmig oder in jeder anderen denkbaren Form auszubilden.
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Durch eine konkave Form kann ein paralleler Luftstrom in einem zusammenlaufenden Luftstrom umgewandelt werden. Auf diese Weise kann der anfallende Luftstrom gezielt auf äußere Bereich der Rotorblätter gelenkt werden, um dort einen besonders starken Antrieb zu bewirken. Alternativ ist es auch möglich, das wenigstens eine Windumlenkelement in seiner Fläche größer auszubilden als den Rotor selber, sodass ein größerer Flächenbereich eines anfallenden Luftstroms in einen kleineren Flächenbereich der Rotorfläche umgelenkt werden kann, sodass hier die Effektivität noch vergrößert werden kann. Nachteilig dabei ist, dass die Bauweise weniger kompakt wird. Weiterhin kann bei sehr starken Winden schnell eine Überlast erzielt werden, sodass hierfür erweiterte Regelungsmechanismen oder eine besonders robuste Bauweise notwendig werden. Für eine genau orthogonale Ablenkung des anfallenden Luftstroms ist es besonders vorteilhaft, wenn das Windumlenkelement in einem Winkel von 45° gegenüber der vertikalen Richtung angeordnet ist. Dabei bietet es sich an, dass das dem Wind zugewandte Ende mit einem Boden der Windkraftanlage bündig ist und zu der dem Wind abgewandten Seite hin nach oben Richtung Rotor verläuft.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind senkrecht unterhalb oder oberhalb des wenigstens einen Rotors umlaufend um eine im Wesentlichen vertikale Achse 2–20, vorzugsweise 3–10, Windumlenkelemente angeordnet, um für jede horizontale Windrichtung ein Windumlenkelement zur Verfügung zu stellen. Dies ist als statische Variante besonders vorteilhaft, da auf diese Weise jede horizontale Windrichtung wenigstens ein Windumlenkblech trifft, durch das der einfallende Luftstrom teilweise um 90° in die vertikale Richtung umgelenkt wird. Dabei ist denkbar, dass seitlich zwischen den Wind umlenkelementen Begrenzungsflächenelemente angeordnet sind, vorzugsweise als Plexiglasscheibe. Auf diese Weise wird bei den einzelnen Windumlenkelementen, wenn der Wind auf sie trifft, noch einmal ein Bündelungseffekt erzielt. Denkbar ist jedoch auch, dass die Windumlenkelemente zu einem großen Windumlenkelement miteinander verbunden sind, das vorteilhaft kegelstumpfförmig unterhalb des Rotors auseinander läuft, sodass vorteilhaft jede Windrichtung gleichberechtigt ist.
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Die Windumlenkelemente betreffend ist es auch denkbar, dass zwei Reihen mit Umlenkelementen vertikal übereinander angeordnet sind. Vorteilhaft sind dabei die horizontal näher am Rotor angeordneten Windumlenkelemente weiter außen angeordnet, während die vom Rotor weiter beabstandeten Windumlenkelemente weiter innen angeordnet sind. Vorteilhaft wird ein Innenbereich der näher angeordneten Windumlenkelemente nicht von diesen ausgefüllt, sodass die Luft in zwei Ablenkreihen auf den Rotor gelenkt werden kann. Auch beliebig viele solcher übereinander Anordnungen von Windumlenkelementen sind denkbar. Besonders bevorzugt kann durch eine Experimentierreihe die Effektivität solcher Anordnungen optimiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der wenigstens eine Rotor eine im Wesentlichen vertikale Rotationsachse auf. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein Aufwind bzw. ein Abwind mit einer ähnlichen Effektivität wie bei einer horizontalen Anlage aus dem Stand der Technik in Rotationsenergie umgewandelt werden kann. Dies ist dies nicht darauf beschränkt. So ist auch denkbar, dass der wenigstens eine Rotor mit einer horizontalen Rotationsachse ausgestattet ist, auf die der umgelenkte Wind von unten bzw. von oben treffen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Rotorblätter mit jeweils wenigstens zwei Lagereinrichtungen schwenkbar an dem Rotor angeordnet, um ein Verkippen der Rotorblätter je nach Bedarf zu ermöglichen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere Windumlenkelemente umlaufend um eine im Wesentlichen vertikale Achse angeordnet sind oder wenn ein umlaufendes Windumlenkelement in etwa kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Denn auf diese Weise kann ein Luftstrom, der nur auf einen Kreisausschnitt des Rotors trifft, die Rotorblätter während einer Drehumrundung anheben und in eine Position für eine gute Kraftübertragung bringen.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Lagereinrichtungen eine im Wesentlichen horizontale Schwenkachse ausbilden, da auf diese Weise eine besonders effiziente Luftflächenveränderung möglich ist. Bei Kreisausschnittsflächen des Rotors, auf die kein Luftstrom fließt, wäre eine gekippte Position der Rotorblätter aufgrund des größeren Luftwiderstandes nachteilig. Dadurch, dass sich die Rotorblätter dort während einer Drehumrundung vorteilhaft wieder zurückdrehen oder zurückschwenken können, können die Rotorblätter den Bereich ohne Luftstrom vorteilhaft mit geringerem Luftwiderstand passieren.
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Dabei ist es möglich, den Schwenkwinkel elektronisch anzusteuern und zu verändern. Vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Kraft für das Verkippen aus dem Luftstrom selbst gewonnen werden kann, da auf diese Weise vorteilhaft ein größerer Regelmechanismus vermieden und eingespart werden kann. Als mögliche Materialien für die Rotorblätter wurden schon verschiedene Kompositionen aus Verbundmaterialien, Metallen oder Holz genannt. Vorteilhaft dabei ist bevorzugt ein Teil der Rotorblätter als Aluminiumstange ausgebildet, mit der die Rotorblätter in den Lagereinrichtungen gehalten werden.
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Dies ist vorteilhaft, da Aluminium leicht und vergleichsweise robust ist. Weiterhin ist denkbar, dass am äußeren Ende der Stange, die bevorzugt aus Aluminium ausgebildet ist, eine Art Winkelelement angeordnet ist, das die Stange mit dem eigentlichen Rotorblatt verbindet. Dies ist jedoch nicht beschränkend zu verstehen. So ist es alternativ auch denkbar, den Bereich der Rotorblätter zylinderförmig zu ummanteln mit einer im Wesentlichen horizontalen Achse, sodass Seitenluftströme vermieden werden.
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Vorteilhaft dabei ist, dass ein Aufwärtsluftstrom durch den Bernulli-Effekt oben noch verstärkt werden kann, wenn Seitenwinde einen Unterdruck hervorrufen, der den Aufwärtswind verstärken kann. Nachteilig ist jedoch, dass dieser Bernulli-Effekt auch an der Unterseite auftreten kann und auf diese Weise einen Aufwärtsluftstrom wiederum bremsen kann. Dieser Effekt kann abgemildert werden, wenn an der Unterseite Luftführungselemente angebracht werden, die ein Schneiden des Seitenwindes vermeiden und so den Bernulli-Effekt an der Unterseite reduzieren können. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass auch Bereiche des Rotors, die weniger von den Aufwinden erreicht werden, noch von einem geringen Aufwind erreicht werden, sodass selbst hier der Antrieb an geschwenkten Rotorblättern eine stärkere Wirkung aufweisen kann, wie deren Verminderung durch den erhöhten Luftwiderstand.
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Aus dem Segelbereich sind Windstellungen von etwa 60° als optimierte Antriebswinkel bekannt. Jedoch lässt sich eine optimierte Rotorblattstellung experimentell optimieren. Dabei sind auch gewölbte Rotorblattformen aus dem Stand der Technik denkbar. Vorteilhaft sind die eigentlichen Rotorblätter an dem hervorstehenden Bereich des Winkelelementes mittels Nieten angeordnet. Dies ist jedoch nicht beschränkend zu verstehen.
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Es sind oft verschiedene Klemm-, Schraub- oder Klebeverbindungen denkbar. Die Rotorblätter selber sind vorteilhaft aus Acrylglas, da dieses besonders leicht zu bearbeiten ist und eine vergleichbar geringe Masse aufweist. Vorteilhaft ist die Form der Rotorblätter flach ausgebildet und von ihrer Anbringung am Zentrum des Rotors nach außen in der seitlichen Ausdehnung erweiternd ausgebildet. Bei schwenkbaren Rotorblättern mit einem verbindendem Winkelelement zwischen Stange und eigentlichem Rotorblatt ist die Anordnung bevorzugt derart gehalten, dass ein Schwerpunkt der Verbindung von Winkelelement und eigentlichem Rotorelement etwas unterhalb des Mittelpunktes der Stange befindlich ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass ein Rotorblatt an einem Kreisausschnitt ohne Beaufschlagung mit einem Luftstrom während einer Drehumrundung immer in einen nahezu waagerechte Position des eigentlichen Rotorblattes zurückfällt. Auf diese Weise wird in der zurückgefallenen Position ein Luftwiderstand minimiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Rotor einen Innenbereich auf, der aus wenigstens zwei ineinander liegenden Zylindermantelabschnitten mit unterschiedlichem Durchmesser zusammengesetzt ist, deren Achse im Wesentlichen in vertikaler Richtung angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da sich Zylindermantelabschnitte sehr gut als Rotorbasis eignen. Wenn die beiden ineinander liegenden Zylindermantelabschnitte mit Stegen miteinander verbunden sind, kann eine verbesserte Stabilität erreicht werden. Besonders vorteilhaft werden als Basis für die Zylindermantelabschnitte Marleyrohre verwendet, die besonders bevorzugt bei dem kleineren Rohr zwischen 50 und 90 cm und bei dem größeren Rohr zwischen 120 und 180 cm Durchmesser ausgebildet sind. Anstatt Marleyrohren ist jedoch auch jede andere Materialkombination denkbar, die über ausreichend Stabilität verfügt, wie beispielsweise Holz, Metall, Kunststoff oder ein Verbundstoff bzw. eine Materialkomposition.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform weisen die wenigstens zwei Zylindermantelabschnitte zu jedem Rotorblatt zwei auf einer bezüglich der Zylindermantelabschnitte radialen Achse befindliche Bohrungen auf, in denen sich die wenigstens zwei Lagereinrichtungen befinden, in denen die Rotorblätter schwenkbar angeordnet sind. Dieser Aufbau ist sehr vorteilhaft. Die Zylindermantelabschnitte bilden die Rohbasis für schwenkbare Rotorblätter. Diese sind bevorzugt an Aluminiumrohren befestigt, die in den Lagereinrichtungen der Zylindermantelabschnitte eingelassen sind, besonders bevorzugt mit einem Durchmesser zwischen 6 und 10 mm, ganz besonders bevorzugt 8 mm.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Schwenkwinkel der Rotorblätter zur optimierten Antriebsübertragung begrenzt, bevorzugt durch eine Schraube, einen Bolzen oder etwas ähnlichem an einem äußeren Rohrabschnitt. Dies ist besonders vorteilhaft, da eine Schraube, ein Bolzen oder etwas ähnliches an einem äußeren Rohrabschnitt sehr einfach zu realisieren ist und dennoch sehr effektiv einen Schwenkwinkel begrenzen kann, wenn die Rotorblätter beim Schwenken gegen die Schraube stoßen, die an dem äußeren Zylindermantelabschnitt befestigt ist. Hierbei ist denkbar, dass das Schraubenloch ein Langloch ist, wodurch eine Position der Schraube verstellbar ist, sodass ein maximaler Schwenkwinkel veränderlich einstellbar ist. Dabei ist auch denkbar, dass durch eine weitere Schraube auch die Schwenkrichtung vorgegeben wird, sodass nur ein Schwenken in eine Richtung möglich ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Windkraftanlage einen Gleichstromgenerator zur Energieabnahme auf, der bevorzugt als Nebenschlussmachine, besonders bevorzugt mit einem Nebenschlussregler ausgestattet ist. Dabei ist der Gleichstromgenerator vorteilhaft selbsterregend ausgebildet, sodass kein Anfangsstrom notwendig ist, um eine Stromerzeugung in Gang zu setzen, ähnlich wie bei einem Dynamo. Eine Nebenschlussregulierung hilft dabei, bei stark veränderlichen Windgeschwindigkeiten eine Abnehmerleistung in einem begrenzten Rahmen zu halten. Nebenschlussschaltregler sind in verschiedenen Veröffentlichungen aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus
EP 1 486 845 D1 .
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Ebenfalls ist denkbar, einen Teil des Nebenschluss-Generators oder einen zweiten Generator ober- oder unterhalb auch als Wirbelstrom-Bremse zu nutzen.
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Auch ein Bremssteuersystem ist denkbar, wie beispielsweise aus
DE 10 2014 108 086 A1 . Solche Bremssteuersysteme können dabei helfen, eine Überlast zu verhindern. Vorteilhaft hat der Rotor einen Durchmesser von zwischen 50–70 cm. Es sind jedoch auch andere Durchmesser denkbar. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist, dass sie auch als Ersatz für Photovoltaikanlagen zur örtlichen Stromversorgung für eine dezentralisierte Energieversorgung denkbar sind. Sie lassen sich in kleinen handlichen Größen bauen und für Camping, für Jachten oder für eine Heimverwendung ohne große Masten realisieren. Sie sind auch in handlicher Größe leicht in einem Kleintransporter transportabel.
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Bei sämtlichen Bestandteilen der Windkraftanlage ist es denkbar, dass diese aus glasdurchsichtiges Materialien, bevorzugt aus Acrylglas, ausgebildet sind. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein optischer Eindruck der Windkraftanlege als weniger Störend empfunden wird.
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Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung auch durch ein Verfahren zum Nutzen von Windenergie gelöst, bei der ein Luftstrom auf wenigstens einen Rotor zur Umwandlung von Arbeit trifft. Der Kerngedanke der Erfindung ist, dass der Luftstrom von einer im Wesentlichen horizontalen auf eine im Wesentlichen vertikale Richtung umgelenkt wird, bevor er auf den Rotor trifft. Die vorliegend beschriebene Windkraftanlage weist dabei ein Beispiel auf, mit was für einer Vorrichtung ein solches Verfahren realisiert werden kann. Der Vorteil liegt in einer durch den Umlenkvorgang veränderte Hauptschallachse und in der Flexibilität zur Bereitstellung von Rotoren, die durch ein zusätzliches Umlenkelement erkauft wird.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage;
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2 ein schematisches Beispiel eines Rotors mit einem repräsentativen Rotorblatt;
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3 eine Frontansicht eines Rotorblattes an einem Zylindermantelabschnitt;
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4 eine weitere Frontansicht eines Rotorblattes an einem Zylindermantelabschnitt in geschwenktem Zustand;
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5 eine schematische Seitenansicht eines Rotorblattes mit Winkelelement und Stange;
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6 eine erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit Zylindermantelabschnitten, die den Rotor umschließen und von horizontalen Luftströmungen abschirmen.
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1 zeigt eine Windkraftanlage 1, wobei senkrecht unterhalb eines Rotors 20 umlaufend um eine im Wesentlichen vertikale Achse A 16 Windumlenkelemente 61a, 61b, 61c, 61d, 61e, 63a, 63b, 63c, 63d, 63e (nicht alle mit Bezugszeichen versehen) angeordnet sind, aufgeteilt in zwei Reihen, die in Richtung der vertikalen Achse A über einander angeordnet sind. Dabei sind die oberen Windumlenkelemente 61a, 61b, 61c, 61d, 61e weiter außen angeordnet, während die unteren Windumlenkelemente 63a, 63b, 63c, 63d, 63e weiter innen angeordnet sind. Die oberen Windumlenkelemente 61a, 61b, 61c, 61d, 61e weisen dabei an ihrer unteren Seite einen horizontalen Vorsprung 62a, 62b, 62c, 62d, 62e auf, an dem ein einfallender Luftstrom geschnitten und aufgeteilt werden kann. Hier sind diese Vorsprünge 62a, 62b, 62c, 62d, 62e als Plattenabschnitte dargestellt.
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Denkbar sind jedoch auch stromlinienförmige, tropfenförmige Vorsprünge 62a, 62b, 62c, 62d, 62e, um eine bessere Luftführung mit weniger Turbulenzenbildung zu produzieren. Es sind immer jeweils zwei Windumlenkelemente 61a, 61b, 61c, 61d, 61e, 63a, 63b, 63c, 63d, 63e übereinander angeordnet. Dies ist nicht beschränkend zu verstehen. Seitlich von den jeweils übereinander angeordneten Windumlenkelementen 61a, 63a, 61b, 63b, 61c, 63c, 61d, 63d, 61e, 63e sind seitliche Abschirmplatten 41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f dargestellt, welche sich in radialer und vertikaler Richtung erstrecken. Diese dienen einer besseren Bündelung einfallender Windströme. Weiterhin dienen sie hier auch zur Stützung des Gestells. So sind oberhalb der seitlichen Abschirmplatten 41a–f Stützstangen 51a–h angebracht, die sich vertikal oberhalb der seitlichen Abschirmplatten 41a–f erheben. Diese Stützstangen 51a–h sind vorteilhaft aus Metall ausgebildet und bevorzugt mit Schrauben an den seitlichen Abschirmplatten 41a–f befestigt. Diese Stützstangen 51a–f sind hier nicht ganz am äußeren Rand der seitlichen Abschirmplatten 41a–f angebracht, sondern leicht nach innen gerückt. Die seitlichen Abschirmplatten 41a–f verlaufen nach innen bis zu einem äußeren Zylindermantelabschnitt 24. Auch der obere Rand eines inneren Zylindermantelabschnittes 25 ist dargestellt. Oberhalb des Rotors 20 erhebt sich in Richtung der vertikalen Achse A eine Statoraufhängung 54 mit Generator. Diese Statoraufhängung 54 ist an einer Querstange 53 befestigt, die oberhalb des Aufbaus an einem umlaufenden Ring 52 befestigt ist. Dieser umlaufende Ring 52 wird von den Stützstangen 41a–f getragen. Radial von dem Rotor 20 nach außen gerichtet sind die eigentlichen Rotorblätter 21 angeordnet. Der gesamte Aufbau befindet sich auf einer Bodenplatte 30, die auf Stangen 31 getragen wird.
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2 zeigt schematisch den Aufbau eines Rotors 20. Dabei ist beispielhaft jedoch nur ein eigentliches Rotorblatt 21 dargestellt. Im Innenbereich weist der Rotor 20 einen inneren 25 und einen äußeren 24 Zylindermantelabschnitt auf, die hier aus der Vogelperspektive zu sehen sind. Für jedes Rotorblatt 21 befinden sich in einer radialen Achse befindliche Bohrungen in den Zylindermantelabschnitten 24,25, in denen Lagereinrichtungen 26, 27 angeordnet sind. Durch diese verläuft eine Stange 23, bevorzugt eine Aluminiumstange mit besonders bevorzugt 8 mm Durchmesser. Am äußeren Rand der Stange 23 ist ein Winkelelement 22 angeordnet, das bevorzugt zur Senkung eines Schwerpunktes des Rotorblattes 21 unter eine Höhe der Stange 23 dient. Am äußeren Rande dieses Winkelelementes 22 ist das eigentliche Rotorblatt 21 angeordnet.
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3 zeigt eine Frontperspektive des eigentlichen Rotorblattes 21 an dem äußeren Zylindermantelabschnitt 24. Das Winkelelement 22 ist hier aufgeteilt in einen oberen Winkelabschnitt 22a und einen unteren Winkelabschnitt 22b. Der untere Winkelabschnitt 22b ist hier unterhalb des eigentlichen Rotorblattes 21 befindlich, an dem und mit diesem vorteilhaft verbunden, während der obere Winkelabschnitt 22a vorteilhaft hinter dem eigentlichen Rotorblatt 21 verläuft. Rechts oberhalb des eigentlichen Rotorblattes 21 ist ein Langloch 28 mit einer Schraube 29 zu sehen. Das Langloch 28 mit der Schraube 29 begrenzt vorteilhaft eine Schwenkbewegung des Rotorblattes 21.
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4 zeigt, wie sich das eigentliche Rotorblatt 21 beispielhaft in einer Schwenkbewegung mit dem Winkelelement 22 und dem oberen Winkelabschnitt 22a und dem unteren Winkelabschnitt 22b zusammen Richtung Schraube 29 bewegen kann.
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5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Befestigung eines eigentlichen Rotorblattes 21 an einem Winkelelement 22 und einer Stange 23. Sichtbar ist, dass ein oberer Winkelabschnitt 22a am äußeren Ende der Stange 23 angeordnet ist. Der untere Winkelabschnitt 22b und das Rotorblatt 21 senken den Querschnitt den Schwerpunkt der Anordnung von Rotorblatt 21 und Winkelabschnitt 22 so, dass dieser unterhalb einer Achse der Stange 23 befindlich ist. Vorteilhaft ist das eigentliche Rotorblatt 21 oberhalb des unteren Winkelabschnittes 22b, vorzugsweise durch Nieten, befestigt.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Windkraftanlage mit äußeren Zylindermantelelementen 71a, 71b, die den Rotor 20 um eine vertikale Achse A herum umschließen. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein Seitenwind abgeschirmt. Es ist denkbar, dass diese äußeren Zylindermantelelemente 71a, 71b vollständig umlaufend ausgebildet sind.
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Der Anmelder behält sich vor, sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 20
- Rotor
- 21
- eigentliches Rotorblatt
- 22
- Winkelelement
- 22a
- oberer Winkelabschnitt
- 22b
- unterer Winkelabschnitt
- 23
- Stange
- 24
- äußerer Zylindermantelabschnitt
- 25
- innerer Zylindermantelabschnitt
- 26
- Lagereinrichtung
- 27
- Lagereinrichtung
- 28
- Langloch
- 29
- Schraube
- 30
- Bodenplatte
- 41a–f
- seitliche Abschirmplatten
- 51a–f
- Stützstangen
- 52
- umlaufender Ring
- 53
- Querstange
- 54
- Statoraufhängung mit Generator
- 61a–e
- obere Windumlenkelemente
- 62a–e
- vorstehende Leitbleche
- 63a–e
- untere Windumlenkelemente
- 71a–b
- umschließende Zylindermantelelemente
- A
- vertikale Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19957141 A1 [0004]
- DE 102013226174 A1 [0004]
- EP 1486845 D1 [0030]
- DE 102014108086 A1 [0032]
