DE102016002226A1 - Windturbine und Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windturbine (1), umfassend – einen inneren Korpus (3), der einen zylindrischen Grundkörper (301) mit stromaufwärts angebrachter Haube (307) und einen in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303) aufweist, – einen äußeren Korpus (5), der einen Gehäusemantel (501) und zumindest ein in dem Gehäusemantel (501) angeordnetes Trichterbauteil (503), dessen Querschnitt in Strömungsrichtung abnimmt, sowie ein in dem Gehäusemantel (501) stromabwärts angeordnetes Kalottenbauteil (505) aufweist, – zumindest eine Trägerrippe (7), die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbindet, und – eine an dem stromabwärtigen Ende des inneren Korpus (3) angeordnete und mit dem Generator (303) verbundene Arbeitsturbine (9) mit einem Rotor (901), wobei der äußere Korpus (5) mit dem inneren Korpus (3) zumindest einen Konvergent (507) ausbildet, der sich über die Länge des inneren Korpus (3) erstreckt, und wobei der äußere Korpus (5) anschließend an das stromabwärtige Ende des inneren Korpus (3) einen Divergent (509) ausbildet. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels der erfindungsgemäßen Windturbine (1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Windturbine und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels dieser Windturbine.
  • Die Technologie der Windenergie entwickelt sich aufgrund der großen Windressourcen auf unserem Planeten mit hoher Geschwindigkeit. Diese Ressourcen sind groß genug, um nahezu unerschöpflich und weitgehend ökologisch Elektrizität zu erzeugen, welche zu einem großen Anteil traditionelle fossile Brennstoffe und Nuklearenergie ersetzen kann. Es ist folglich notwendig, hocheffiziente Windkraftanlagen zu entwickeln, welche durch Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Windpotenzials große Mengen Elektrizität bei geringen primären Investitionskosten erzeugen können und attraktive Endverbraucherpreise bieten.
  • Gattungsgemäße Windkraftanlagen und Verfahren sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Windkraftanlagen werden aktuell mit Rotoren mit großem Durchmesser von bis zu 164 Metern ausgebildet, bspw. der Typ Vestas V164-8.0, wobei Anlagen mit hoher Energiedichte derzeit bei bis zu 10 MW liegen. Die Tendenzen der Entwicklung bis zum Jahr 2020 zielen auf die Schaffung von Offshore-Windkraftanlagen ab, deren maximale Leistung bei ca. 20 MW liegen soll und die einen Rotordurchmesser von bis zu 300 Metern aufweisen werden.
  • Um eine große Menge elektrischer Energie zu erzeugen, sind die herkömmlichen Windkraftanlagen auf einen sehr breiten Luftstrom durch Rotoren mit großem Durchmesser angewiesen. Diese großen Rotoren sind jedoch schwer und klobig sowie schwierig zu installieren, zu unterhalten und zu reparieren. Die Umfangsgeschwindigkeit an den Enden der Rotorblätter erreicht selbst bei einer geringen Arbeitsfrequenz der Anlage mit 7 U/min bis 13 U/min ein sehr hohes Niveau. Die Widerstandsmomente durch hohe Reibung wie auch der Verschleiß der der Reibung unterliegenden Teile sind sehr groß. Die Strukturen sind demzufolge sehr großformatig, schwer und teuer. Durch Verwirbelungen von großen Luftmassen, welche die Windkraftanlagen durchlaufen, beeinflussen sich die einzelnen Windkraftanlagen auf kurzen Distanzen gegenseitig, insbesondere wenn sie in sog. Windparks dicht beieinander stehen. Folglich wird ein signifikanter Abstand der Windkraftanlagen innerhalb eines Windparks notwendig. Darüber hinaus sind Windkraftanlagen bei überkritischen Windgeschwindigkeiten extrem gefährdet, so dass diese bei hohen Windgeschwindigkeiten nicht betrieben werden. Sie stellen daher eine große Gefahr für Menschen und für Tiere, insbesondere Vögel, dar. Diese Tatsache ist ein häufiger Grund für die impulsiven Reaktionen von Umweltschützern und der betroffenen Bevölkerung allgemein.
  • Zeitgemäße Entwicklungen zielen auf das Erreichen hoher Effektivität durch geeignete Transformation von lokalen Luftströmungen ab, durch welche höhere Energien durch das Konzentrieren von relativ kleinen Luftmassen erzeugt werden. Dabei können zwei Prinzipien verwendet und kombiniert werden, nämlich Konzentration und Beschleunigung von lokalen Luftströmungen, um einen hohen dynamischen Druck zu erzeugen, und Erzeugen eines turbulenten Luftstroms, um einen Unterschied im statischen Druck zu erzeugen.
  • In US 2004/0183310 A1 wird ein einfacher Windenergie-Generator beschrieben, der ein trichterförmiges Gehäuse mit großem Einlass aufweist, das eine konkave Innenfläche hat, die auf einen Auslass zuläuft, in dem ein mit einem Propeller betriebener Elektrogenerator angeordnet ist. Der Windenergie-Generator beruht auf dem Bernoulli'schen Prinzip, dass ein eintretender Wind in dem trichterförmigen Gehäuse beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit auf den Propeller geleitet wird.
  • Nach dem Stand der Technik ist es ökonomisch nicht sinnvoll, Windkraftanlagen bei Windgeschwindigkeiten unterhalb von 8 m/s zu betreiben, weil die Schöpfung der Leistung unter 80% liegt. Andererseits können herkömmliche Windkraftanlagen nur bis zu Windgeschwindigkeiten von 25 m/s sicher betrieben werden.
  • Um eine elektrische Leistung von bspw. 175 MW zu erzeugen, werden mit herkömmlichen Windkraftanlagen nach dem Stand der Technik ca. 87 einzelne Anlagen, d. h. 87 Maste, auf einer Fläche von ca. 870.000 Quadratmetern benötigt. Die notwendigen Investitionen alleine für die Windkraftanlagen liegen bei ca. € 170 Mio., ohne Grundstückpreise und Infrastruktur zu berücksichtigen.
  • Es besteht daher der dringende Bedarf für kompaktere, kostengünstigere und effizientere Windkraftanlagen. Hierzu wird es notwendig sein, größere Kapazitäten als bislang an einem einzelnen Mast zu installieren und nach Wegen zu suchen, diese einzelnen Masten in einem Windpark näher beieinander zu platzieren, als das derzeit der Fall ist. Nur hierdurch können Kosten für Grundstücke und Infrastruktur eingespart werden. Ein nicht zu unterschätzender Aspekt für zukünftige Windkraftanlagen ist deren Sicherheit in Bezug auf den Menschen und auf Tiere, insbesondere Vögel, sowie eine gute Umweltverträglichkeit allgemein.
  • Ausgehend von den vorstehend genannten Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage bereitzustellen, die eine signifikante Menge Elektrizität mit einem Luftstrom relativ geringer Kapazität erzeugen kann. Ziel der Erfindung ist ferner die Verbesserung der Effizienz und Effektivität von Windkraftanlagen.
  • Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Windturbine (1) gelöst, umfassend
    • – einen inneren Korpus (3), der einen zylindrischen Grundkörper (301) mit stromaufwärts angebrachter Haube (307) und einen in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303) aufweist,
    • – einen äußeren Korpus (5), der einen Gehäusemantel (501) und zumindest ein in dem Gehäusemantel (501) angeordnetes Trichterbauteil (503), dessen Querschnitt in Strömungsrichtung abnimmt, sowie ein in dem Gehäusemantel (501) stromabwärts angeordnetes Kalottenbauteil (505) aufweist,
    • – zumindest eine Trägerrippe (7), die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbindet, und
    • – eine an dem stromabwärtigen Ende des inneren Korpus (3) angeordnete und mit dem Generator (303) verbundene Arbeitsturbine (9) mit einem Rotor (901),
    wobei der äußere Korpus (5) mit dem inneren Korpus (3) zumindest einen Konvergent (507) ausbildet, der sich über die Länge des inneren Korpus (3) erstreckt, und wobei der äußere Korpus (5) anschließend an das stromabwärtige Ende des inneren Korpus (3) einen Divergent (509) ausbildet.
  • Die Aufgabe wird ferner in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels der erfindungsgemäßen Windturbine (1) gelöst, das die Schritte umfasst:
    • a) Aufnehmen eines Luftstroms aus der Umgebung in den zumindest einen Konvergent (507) der Windturbine (1),
    • b) Beschleunigen und Verdichten des Luftstroms in dem zumindest einen Konvergent (507) durch zunehmende Verringerung von dessen Querschnittsfläche,
    • c) gerichtetes Leiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms auf den Rotor (901) und dadurch Antreiben der Arbeitsturbine (9),
    • d) nach Durchlaufen des Rotors (901) Einleiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms in den Divergent (509) und Verlangsamen und Expandieren des Luftstroms.
  • Die Erfindung hat die Vorteile, dass zunächst der Wirkungsgrad der einzelnen Windturbinen (1) im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen höher ist, da es grundsätzlich keine Begrenzung in der nutzbaren Windgeschwindigkeit gibt. Darüber hinaus ist der Flächenbedarf der einzelnen Windturbinen (1) geringer, womit sich die Windnutzung pro Flächeneinheit um ein Vielfaches erhöht. Ferner können mehrere Windturbinen (1) an einem herkömmlichen Mast (13) montiert werden. Um die vorstehend genannte elektrische Leistung von bspw. 175 MW zu erzeugen, benötigt man mit der vorliegenden Erfindung lediglich 13 Maste (13) (anstatt 87) mit jeweils sieben erfindungsgemäßen Windturbinen (1) und eine Fläche von nur ca. 22.500 Quadratmetern (anstatt 870.000 Quadratmetern).
  • Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben.
  • Wenn in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Windturbine (1) Verfahrensmerkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso beziehen sich gegenständliche Merkmale, die in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt werden, auf die erfindungsgemäße Windturbine (1).
  • Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Windturbine (1), die einen inneren Korpus (3) umfasst, der einen zylindrischen Grundkörper (301) mit stromaufwärts angebrachter Haube (307) und einen in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303) aufweist. Die Windturbine (1) umfasst ferner einen äußeren Korpus (5), der einen Gehäusemantel (501) und zumindest ein in dem Gehäusemantel (501) angeordnetes Trichterbauteil (503), dessen Querschnitt in Strömungsrichtung abnimmt, sowie ein in dem Gehäusemantel (501) stromabwärts angeordnetes Kalottenbauteil (505) aufweist.
  • Ferner umfasst die Windturbine (1) zumindest eine Trägerrippe (7), die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbindet, und eine an dem stromabwärtigen Ende des inneren Korpus (3) angeordnete und mit dem Generator (303) verbundene Arbeitsturbine (9) mit einem Rotor (901).
  • Die Windturbine (1) zeichnet sich dadurch aus, dass der äußere Korpus (5) mit dem inneren Korpus (3) zumindest einen Konvergent (507) ausbildet, der sich über die Länge des inneren Korpus (3) erstreckt, und wobei der äußere Korpus (5) anschließend an das stromabwärtige Ende des inneren Korpus (3) einen Divergent (509) ausbildet.
  • Unter ”Konvergent” wird in der vorliegenden Erfindung ein, in Strömungsrichtung betrachtet, konvergenter Strömungskanal verstanden, d. h. ein horizontaler Strömungskanal mit einem sich gleichmäßig verringernden Querschnitt. Der Konvergent (507) dient der Optimierung der Luftströmung in der Windturbine (1).
  • Mit ”Divergent” wird in der vorliegenden Erfindung ein, in Strömungsrichtung betrachtet, divergenter Strömungskanal verstanden, d. h. ein horizontaler Strömungskanal mit einer rapide ansteigenden Querschnittsfläche. Der Divergent (509) dient der Querschnittsvergrößerung des Strömungskanals.
  • Mit ”Kalottenbauteil” wird ein Teil des äußeren Korpus (5) bezeichnet, das am stromabwärtigen Ende der Windturbine (1) liegt und zumindest teilweise eine Teilkugelform aufweist. Das Kalottenbauteil (505) weist eine rapide ansteigende Querschnittsfläche auf und bildet somit das Gehäuse für den Divergent (509).
  • Unter ”Arbeitsturbine” wird eine rotierende Strömungsmaschine verstanden, welche die innere Energie eines strömenden Fluids, hier insbesondere Luft, in mechanische Energie umwandelt und über ihre Welle abgibt. Als ”Rotor” wird in der vorliegenden Erfindung das sich drehende (rotierende) Element der Arbeitsturbine (9) bezeichnet. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Nabe des Rotors (901) verstärkt ausgeführt, so dass sie nicht nur die Rotorblätter (9011) trägt, sondern gleichzeitig als Schwungrad wirkt. Die Verstärkung kann in einem größeren Durchmesser oder einer Verbreiterung der Nabe oder in der Verwendung eines Werkstoffs mit höherer Dichte bestehen.
  • Der äußere Korpus (5) ist um den inneren Korpus (3) herum angeordnet und bildet insbesondere die Außenhülle der Windturbine (1). Der innere Korpus (3) ist vorzugsweise torpedoartig geformt und hat an seinem zylindrischen Grundkörper (301) stromaufwärts eine vorzugsweise stromlinienförmige, konische Haube (307). Mit dem in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303), vorzugsweise einem Elektrogenerator, ist bevorzugt ein Getriebe (305), insbesondere ein Planetengetriebe, verbunden.
  • Wie vorstehend beschrieben, verbindet zumindest eine Trägerrippe (7) den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5). Konkret kann die zumindest eine Trägerrippe (7) auf dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordnet, d. h. befestigt, sein und das in dem Gehäusemantel (501) angeordnete Trichterbauteil (503) abstützen.
  • Der äußere Korpus (5) weist stromaufwärts, d. h. an Einlass zum Konvergent (507), eine Einlassöffnung (101) und stromabwärts, d. h. an Auslass des Divergent (509), eine Auslassöffnung (103) auf.
  • Die erfindungsgemäße Windturbine (1) weist eine Länge von 5 Metern bis 10 Metern, insbesondere von 7 Metern bis 8 Metern, und einen Durchmesser von 2 Metern bis 5 Metern, insbesondere 3 Metern bis 4 Metern, auf. Das Gewicht der erfindungsgemäßen Windturbine (1) liegt abhängig von den Abmessungen zwischen 15 Tonnen und 25 Tonnen, insbesondere bei ca. 20 Tonnen (vergleichbare herkömmliche Windkraftanlagen haben ein Gewicht von 120 Tonnen bis 150 Tonnen).
  • Mit der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, die erfindungsgemäße Windturbine (1) bereitzustellen, die eine hohe Sensibilität für Windgeschwindigkeiten bietet, dabei aber robust und wetterfest ist.
  • Der Wirkungsgrad der einzelnen Windturbine (1) ist im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen fast dreifach höher. Ferner können mehrere (bis zu 15) erfindungsgemäße Windturbinen (1) an einem herkömmlichen Mast (13) montiert werden. Zudem ist der Betrieb der erfindungsgemäßen Windturbine (1) bereits in einer Höhe von 30 Metern möglich, während herkömmliche Windkraftanlagen Höhen von 70 Metern bis 150 Metern erfordern. Es ist daher möglich, einzelne erfindungsgemäße Windturbinen (1) für den Einsatz bspw. in Industriebetrieben zu konditionieren.
  • Eine einzelne erfindungsgemäße Windturbine (1) kann gewartet werden, ohne dass eine Gesamtanlage von mehreren Windturbinen (1) vollständig abgeschaltet werden muss. Zudem ist der Aufwand für den Transport und die Montage deutlich geringer und umweltschonender, weil die Windturbinen (1) vergleichsweise kompakt und klein sowie vergleichsweise leicht sind, verglichen mit herkömmlichen Windkraftanlagen. Eine herkömmliche Windkraftanlage mit 7 MW Leistung (z. B. von der Fa. Vestas) benötigt eine Investition von ca. 2,5 Mio. Euro. Die Kosten der Fertigung einer erfindungsgemäßen Windturbine (1) sind mit den Kosten herkömmlicher Windkraftanlagen zumindest vergleichbar, liegen in der Regel aber deutlich darunter. Allerdings kann für die erfindungsgemäßen Windturbine (1) die bereits vorhandene Infrastruktur (z. B. Masten, Einspeisung, etc.) übernommen werden, was die Gesamtkosten einer Anlage reduziert.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Trägerrippe (7) in Strömungsrichtung spiralförmig ausgebildet. Hierdurch wird der Luftstrom, der an der Einlassöffnung (101) in die erfindungsgemäße Windturbine (1) eintritt, von der linearen Bewegung in eine spiralförmige Bewegung transformiert. Vorzugsweise wird der Luftstrom um 50° bis 70°, bevorzugt um 55° bis 65°, insbesondere um 60°, von der linearen Bewegung des ursprünglichen Luftstroms abgelenkt, um die Energie des einströmenden Luftstroms optimal auszunutzen.
  • Bevorzugt hat die Trägerrippe (7) einen Querschnitt, der dem Querschnitt einer Flugzeugtragfläche entspricht und dadurch eine stromlinienförmige, aerodynamische Form aufweist, was zu einer Verbesserung der Dynamik führt.
  • Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Windturbine (1) zwei oder mehr Trägerrippen (7a, 7b) auf, die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbinden, d. h. den zylindrischen Grundkörper (301) mit dem Trichterbauteil (503), und zwei oder mehr Teil-Konvergenten (507a, 507b, ...) ausbilden, d. h. zwei oder mehr in Strömungsrichtung spiralförmig ausgebildete Strömungskanäle, die an ihrem stromabwärtigen Ende auf den Rotor (901) der Arbeitsturbine (9) gerichtet sind. Die Gesamtheit der Teil-Konvergenten (507a, 507b, ...) die insbesondere in gleichen parallelen Abständen angeordnet sind, bildet den Konvergent (507). Die zwei oder mehr Trägerrippen (7a, 7b) sind vorzugsweise gleichmäßig entlang der Umfangslänge des inneren Korpus (3) angeordnet und weisen eine gleichmäßige spiralförmige Zustandsbahn entlang der gesamten Länge auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Windturbine (1) vier Trägerrippen (7a, 7b, 7c, 7d) auf, die den Konvergent (507) in vier Teil-Konvergenten (507a, 507b, 507c, 507d) unterteilen.
  • Um den Luftstrom aus dem/den Konvergenten (507, 507a, 507b, ...) besonders zielgerichtet auf die Rotorblätter (9011) des Rotors (901) zu richten und damit die zur Verfügung stehende Energie optimal auszunutzen, weist die Arbeitsturbine (9) in Strömungsrichtung vor dem Rotor (901) einen vorderen Stator (903) auf. Der vordere Stator (903) weist Leitelemente (9031) auf, die ebenfalls wie Flugzeugtragflächen geformt sein können. Die Leitelemente (9031) dienen dazu, den Luftstrom zielgerichtet auf den Rotor (901), d. h. die Rotorblätter (9011) zu leiten.
  • Die Leitelemente (9031) stehen vorzugsweise in einem Winkel von 50° bis 70°, bevorzugt von 55° bis 65°, insbesondere von 60°, zur Längsachse der Windturbine (1) und können einen Querschnitt wie eine Flugzeugtragfläche aufweisen. Die Rotorblätter (9011) sind auf dem Rotor (901) so angeordnet, dass sie in einem Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt von 85° bis 95°, insbesondere von 90°, zu den Leitelementen (9031) stehen. Hierdurch wird die Energie des einströmenden Luftstroms optimal ausgenutzt.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Arbeitsturbine (9) in Strömungsrichtung hinter dem Rotor (901) einen hinteren Stator (905) aufweisen, der den aus dem Rotor (901) austretenden Luftstrom aufgrund eines Gittereffekts verwirbelt. Durch die Verwirbelung an den Lamellen (9051) des hinteren Stators (905) gibt es weniger Verlust durch Kompression und die resultierende Energie wird erhöht. Die Lamellen (9051) stehen vorzugsweise im Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt von 85° bis 95°, insbesondere von 90°, zu den Rotorblättern (9011).
  • Vorzugsweise wird die Welle des Rotors (901) in der Nabe des hinteren Stators (905) gelagert. Der hintere Stator (905) kann wie der vordere Stator (903) mit dem äußeren Korpus (5) verbunden sein und so einen Teil der Tragkonstruktion der Windturbine bilden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der äußere Korpus (5) zwei konzentrisch zueinander angeordnete Trichterbauteile (503a, 503b) auf und bildet mit dem inneren Korpus (3) zwei Konvergenten (5071, 5073) aus. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil eines mechanisch stabileren Aufbaus, so dass die Dimensionen der erfindungsgemäßen Windturbine (1) ohne Stabilitätsprobleme vergrößert werden können.
  • In einer Weiterbildung dieser bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Windturbine (1) zweimal vier Trägerrippen (71a, 71b, 71c, 71d, 73a, 73b, 73c, 73d) auf, die die Konvergenten (5071, 5073) in zweimal vier Teil-Konvergenten (5071a, 5071b, 5071c, 5071d, 5073a, 5073b, 5073c, 5073d) unterteilen.
  • Die Trichterbauteile (503a, 503b) werden dabei vorteilhafterweise von einer oder mehreren Trägerrippen (71a, 71b, 71c, ..., 73a, 73b, 73c, ...) untereinander und mit dem Gehäusemantel (501) verbunden. Bevorzugt sind die Trägerrippen (71a, 71b, 71c, 73a, 73b, 73c, ...) in Strömungsrichtung spiralförmig ausgebildet, um die lineare Bewegung des Luftstroms in eine spiralförmige Bewegung des Luftstroms zu transformieren.
  • Um bei einem starken Luftstrom, d. h. bspw. bei Sturm, und bei plötzlichen Änderungen der Windgeschwindigkeit, d. h. bspw. bei Windböen, eine Überlastung und Beschädigung der erfindungsgemäßen Windturbine (1) zu vermeiden, weist in einer Weiterbildung der äußere Korpus (5) einen mit dem stromabwärtigen Bereich des zumindest einen Konvergent (507) verbundenen Ableitungskanal (511) auf, der gegenüber dem zumindest einen Konvergent (507) mittels einer Verschlussvorrichtung (513) ganz oder teilweise verschließbar ist. Auf diese Weise kann ein Teil des Luftstroms an der Arbeitsturbine (9) vorbeigeleitet werden, im Stile eines Bypass, so dass nur ein Teil des Luftstroms die Arbeitsturbine (9) beaufschlagt.
  • Die Verschlussvorrichtung (513) ist bevorzugt mechanisch gelagert, z. B. gegen ein Federelement, und öffnet den Ableitungskanal (511) bei einem vorgegebenen Druck bzw. bei einer plötzlichen Änderung der Windgeschwindigkeit. Bei Windböen gestaltet der Ableitungskanal (511) den Generatorbetrieb somit gleichmäßig nach dem Prinzip eines Schutzventils (d. h. Öffnen und Schließen eines Drosselventils). Bei sehr starken nominalen Winden können diese den Konvergent (507) umgehen und den Widerstand gegenüber den Windböen verringern.
  • In dem stromaufwärtigen Einlass, d. h. der Einlassöffnung (101) des zumindest einen Konvergent (507) kann zumindest ein Kompensationsring (11) konzentrisch mit dem inneren Korpus (3) und dem äußeren Korpus (5) angeordnet sein, um den eintretenden Luftstrom zu leiten. Da in der Mitte der Einlassöffnung der erfindungsgemäßen Windturbine (1) die Haube (307) des inneren Korpus (3) angeordnet ist und so trotz der konischen Form ein Hindernis für den Luftstrom darstellt, trägt der zumindest eine Kompensationsring (11) zu verwirbelungsfreien Einleitung des Luftstroms in den zumindest einen Konvergent (507) bei. Dazu kann auch der zumindest eine Kompensationsring (11) den Querschnitt einer Flugzeugtragfläche aufweisen.
  • Der zumindest eine Kompensationsring (11) hat ferner die Wirkung, dass er die Einlassöffnung (101) geometrisch so verkleinert, dass keine Tiere (insbes. Vögel) oder Gegenstände in den zumindest einen Konvergent (507) eindringen und diesen blockieren können. Der oder die Kompensationsring/e (11) bilden, zusammen mit dem Anfang der zumindest einen Trägerrippe (7), eine Art Schutzgitter in der Einlassöffnung (101).
  • Die vorstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf die erfindungsgemäße Windturbine (1) gelten für das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren entsprechend. Ebenso gelten die nachstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren für die erfindungsgemäße Windturbine (1) entsprechend.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels der erfindungsgemäßen Windturbine (1) gelöst, das zunächst den Schritt a) umfasst, das Aufnehmen eines Luftstroms aus der Umgebung in den zumindest einen Konvergent (507) der Windturbine (1), bevor in Schritt b) der Luftstrom in dem zumindest einen Konvergent (507) durch zunehmende Verringerung von dessen Querschnittsfläche beschleunigt und verdichtet wird.
  • In Schritt c) erfolgt ein gerichtetes Leiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms auf den Rotor (901) und dadurch Antreiben der Arbeitsturbine (9), worauf in Schritt d) nach Durchlaufen des Rotors (901) der beschleunigte, verdichtete Luftstrom in den Divergent (509) eingeleitet und der Luftstrom verlangsamt und expandiert wird. Hierdurch wird ein Unterdruck auf der stromabwärtigen Seite des Rotors (901) erzeugt, der weiter zur Erhöhung der Energie beiträgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist grundsätzlich die gleichen Vorteile wie die erfindungsgemäße Windturbine (1) auf. Insbesondere hat das erfindungsgemäße Verfahren für die einzelnen Windturbinen (1) im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen einen höhen Wirkungsgrad, da es grundsätzlich keine Begrenzung in der nutzbaren Windgeschwindigkeit gibt.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens wird
    • – in Schritt b) die geradlinige Strömungsbewegung des Luftstroms durch die zumindest eine Trägerrippe (7) in eine spiralförmige Strömungsbewegung umgewandelt, so dass
    • – in Schritt c) der beschleunigte, verdichtete Luftstrom in einem stumpfen Winkel auf den Rotor (901) geleitet wird, und
    • – in Schritt d) in dem Divergent (509) eine turbulente Strömung erzeugt wird.
  • Die spiralförmige Strömungsbewegung ist gegenüber der geradlinige Strömungsbewegung um 50° bis 70°, bevorzugt um 55° bis 65°, insbesondere um 60°, abgelenkt, um die Energie des einströmenden Luftstroms optimal auszunutzen. Der stumpfe Winkel, zwischen der spiralförmige Strömungsbewegung und dem Rotor (901), bzw. den Rotorblättern (9011), beträgt 80° bis 100°, bevorzugt 85° bis 95°, besonders bevorzugt 90°.
  • Vorteilhafterweise kann bei Überschreiten einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms aus der Umgebung, bzw. bei plötzlichen Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit, in Schritt a) die Verschlussvorrichtung (513) zumindest teilweise geöffnet und zumindest ein Teil des Luftstroms durch den Ableitungskanal (511) an dem Rotor (901) vorbeigeleitet wird. Somit können Beschädigungen der Windturbine (1) vermieden werden.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich in einem dritten Aspekt auf die Verwendung der vorstehend beschriebenen Windturbine (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom, wobei insbesondere das vorstehend beschriebene Verfahren Anwendung findet.
  • Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
  • 1 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung eines inneren Korpus 3 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 3a eine schematische Schnittdarstellung eines äußeren Korpus 5 nach einer Ausführungsform der Erfindung mit Konvergent 507 und Divergent 509,
  • 3b ein Diagramm zur Darstellung von dynamischem Druck und statischem Druck,
  • 4 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 6 eine schematische, teilweise geschnittene Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 7 eine schematische Darstellung einer Arbeitsturbine 9 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 8 eine Frontalansicht einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung und
  • 9a, 9b schematische Darstellungen von mehreren erfindungsgemäßen Windturbinen 1 an einem Mast 13.
  • Eine erfindungsgemäße Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung wird in 1 schematisch mit aufgeschnittenem äußeren Korpus 5 dargestellt, so dass der Konvergent 507 und der Divergent 509 mit dazwischen angeordneten vorderem Stator 903, Rotor 901 und hinterem Stator 905 zumindest teilweise zu sehen sind. Ferner ist die Anordnung einer Trägerrippe 7 dargestellt.
  • 2 stellt den inneren Korpus 3 nach einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dar, wobei der Gehäusemantel 301 teilweise aufgeschnitten dargestellt ist. Im Gehäusemantel 301 sind ein Generator 303 mit damit verbundenem Getriebe 305 angeordnet, wobei die Welle der Arbeitsturbine 9 mit dem Getriebe 305 und damit mit dem Generator 303 verbunden ist. Gut zu erkennen ist die Torpedoform des inneren Korpus 3 mit der Haube 307 auf der linken Seite und einer Durchmesser-Verringerung 309 auf der rechten Seite der Darstellung der 2, so dass der (hier nicht dargestellte) Rotor 901 frei im Strömungskanal (ebenfalls hier nicht dargestellt) liegt.
  • Eine schematische Schnittdarstellung eines äußeren Korpus 5 mit Trichterbauteil 503 und Kalottenbauteil 505 nach einer Ausführungsform der Erfindung ist in 3a dargestellt, woraus der Konvergent 507 und der Divergent 509 mit ihrer grundsätzlichen Form erkennbar sind.
  • 3b bildet ein Diagramm zur Darstellung von dynamischem Druck und statischem Druck ab, wie die prinzipiell in dem in 3a gezeigten Konvergent 507 und Divergent 509 herrschen. Auf 3b wird an anderer Stelle noch eingegangen.
  • 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei konzentrische Konvergenten 5071, 5073 dargestellt sind, die in einer Bündelzone 5075 vor dem vorderen Stator 903 wieder vereint werden. Der 4 ist ferner die Anordnung der Arbeitsturbine 9 mit vorderem Stator 903, Rotor 901 und hinterem Stator 905 zwischen den Konvergenten 5071, 5073, bzw. der Bündelzone 5075, und dem Divergent 509 zu entnehmen.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich der 1 ist, aber wie in 4 zwei konzentrische Konvergenten 5071, 5073 aufweist. Ferner sind die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 103 bezeichnet. Die in 5 dargestellte Ausführungsform weist ferner drei Kompensationsringe 11 in der Einlassöffnung 101 auf, die den Luftstrom von außen um die Haube 307 herum in die beiden Konvergenten 5071, 5073 leiten.
  • In 6 wird schematisch im Detail eine erfindungsgemäße Windturbine 1 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform weist zwei Trichterbauteile 503a, 503b auf, welche die beiden Konvergenten 5071, 5073 ausbilden. Ferner sind hier der Ableitungskanal 511 mit der Verschlussvorrichtung 513 dargestellt.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Arbeitsturbine 9 ist in 7 schematisch dargestellt. Teilweise geschnitten sind der vordere Stator 903 mit den Leitelementen 9031, der Rotor 901 mit den Rotorblättern 9011 und der hintere Stator 905 mit den Lamellen 9051 zu erkennen. Die Leitelemente 9031 stehen dabei in einem Winkel von ca. 60° zur Längsachse der Windturbine 1 und in einem Winkel von ca. 90° zu den Rotorblättern 9011. Die Lamellen 9051 stehen in einem Winkel von ca. 30° bis ca. 70° zur Längsachse der Windturbine 1. Rotorblätter 9011, Leitelemente 9031 und Lamellen 9051 haben jeweils einen Querschnitt wie eine Flugzeugtragfläche.
  • Eine Frontalansicht einer erfindungsgemäßen Windturbine 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung ist in 8 dargestellt. Der innere Korpus 3 und der äußere Korpus 5 sind konzentrisch durch die Trägerrippen 71, 73 verbunden. Die Trichterbauteile 501a, 503b und die Kompensationsringe 11 sind konzentrisch mit dem inneren Korpus 3 und dem äußeren Korpus 5 angeordnet. Es ist gut zu erkennen, wie dadurch eine Art Schutzgitter in der Einlassöffnung 101 ausgebildet wird.
  • Die 9a und 9b stellen schematisch mehrere erfindungsgemäße Windturbinen 1 an einem Mast 13 dar. Der Mast 13 weist eine Gondel 15 ähnlich wie herkömmliche Windkraftanlagen auf, an der die erfindungsgemäßen Windturbinen 1 angebracht sind. Für die seitlichen Windturbinen 1 sind ferner Arbeitsplattformen 17 vorgesehen, die bei herkömmlichen Windkraftanlagen technisch schlecht möglich sind, gemäß der vorliegenden Erfindung aber eine einfache und sichere Wartung und Instandhaltung der Windturbine 1 ermöglichen.
  • Gemäß des Bernoulli'schen Prinzips steigt der Druck eines fließenden Fluids (z. B. eines Gases) an, wenn dessen Geschwindigkeit abnimmt, d. h. im Umkehrschluss nimmt die Geschwindigkeit zu, wenn der Druck abnimmt. Dieses Prinzip wird bspw. bei der Geometrie von Flugzeugtragflächen angewandt, so dass an deren Oberseite eine höhere Geschwindigkeit und damit ein geringerer Druck herrschen, so dass ein Auftrieb erzeugt wird.
  • Wenn folglich ein Luftstrom in den Konvergent 507 eintritt, wird dieser konzentriert und aufgrund der sich verringernden Querschnittsfläche des Konvergent 507 beschleunigt. Der Grund dafür ist, dass die Luftmasse, welche in einer Zeiteinheit durch die Einlassöffnung 101 der Windturbine 1 in den Konvergent 507 eintritt, gleich der Luftmasse ist, welche in der gleichen Zeiteinheit am Ende des Konvergent 507 austritt. Zum Erreichen der signifikanten Beschleunigung des Luftstroms bei relativ geringer Länge des Konvergent 507 mit minimalen Reibungsverlusten, Luftwiderstand und innerer Gasreibung wird eine gleichmäßige und geregelte Beschleunigung benötigt. Eine bekannte Tatsache ist, dass jede scharfe Änderung der Geschwindigkeit oder Richtung eines Luftstroms zu einem Energieverlust führt. Um diese Verluste zu verringern bzw. zu verhindern, muss der Konvergent 507 eine präzise definierte optimale Form und Proportionen aufweisen, welche die Beschleunigung des Stroms in einer linearen Abhängigkeit ermöglichen. Der Konvergent 507 ist insbesondere so ausgestaltet, dass seine Querschnittsfläche mit einer vorbestimmten Abhängigkeit mit dem aerodynamischen Koeffizienten von 10° abnimmt. Dies ermöglicht eine gleichmäßige und geordnete Beschleunigung des Luftstroms.
  • Die Summe der statischen und dynamischen Drücke bleibt konstant. Der dynamische Druck kann als die Trägheit bei der Kollision der bewegten Luftmassen abzüglich des Winddrucks aufgefasst werden. Aufgrund der Beschleunigung des Luftstroms in dem Konvergent 507 steigt der dynamische Druck an und der statische Druck nimmt ab (vgl. 3b), wobei deren Summe konstant bleibt. Der Abfall des statischen Drucks in dem Konvergent 507 bestimmt die Bewegung des Luftstroms und die parabelförmige Kurve bestimmt seine Beschleunigung. Der Abfall des statischen Drucks führt zu einem Abfall der Luftdichte. Die beschleunigte Luft wird daher expandiert.
  • Als Ergebnis der deutlichen Beschleunigung des Luftstroms in dem Konvergent 507 wird ein ”Mikro-Tornado” mit hoher Geschwindigkeit und sehr hohem dynamischen Druck erzeugt. Die Kombination aus hoher Geschwindigkeit und hohem dynamischen Druck erzeugt eine Energie, die um ein Vielfaches größer ist als die eines nominalen Luftstroms. Konkret ist die nutzbare kinetische Energie eines Luftstroms proportional der dritten Potenz der Geschwindigkeit dieses Luftstroms. Eine Verdopplung der Geschwindigkeit des Luftstroms erhöht folglich die nutzbare kinetische Energie um den Faktor acht.
  • Nach dem Durchtreten des beschleunigten Luftstroms durch das Ende des Konvergent 507 wird in dem Divergent 509 als kurzem, sich ausdehnenden Kanal ein turbulenter Luftwirbel erzeugt. Dieser Effekt kann ebenfalls mit einem ”Mikro-Tornado” verglichen werden. Der turbulente Luftwirbel ist quasi eine Verdünnung der Luft und führt zu einem Abfall des statischen Drucks in dem Divergent 509 hinter dem hinteren Stator 905. Dieser ist ein spiralförmiger Luftwirbel mit hoher Strömungsgeschwindigkeit und niedriger linearer Eintrittsgeschwindigkeit. Die verdünnte Luft wirkt dabei wie eine gespannte Feder, welche zu schrumpfen versucht. Der turbulente Abfall des statischen Drucks in dem Divergent 509 erzeugt einen Unterschied in dem statischen Druck vor und hinter dem Ende des Konvergent 507, was eine zusätzliche Austrittsenergie erzeugt.
  • Ein beschleunigter, aber hoch verdünnter Luftstrom wird durch den Divergent 509 geleitet. Bei der Kollision mit der Umgebungsluft, dem Atmosphärendruck und der nominalen Dichte und Geschwindigkeit schrumpft dieser auf die nominale Dichte und verzögert seine Geschwindigkeit auf die normale Windgeschwindigkeit innerhalb von wenigen Metern hinter der Auslassöffnung 103, wobei er die Parameter der Atmosphärenluft übernimmt. Diese Massenschrumpfung erlaubt ein Durchtreten des Luftstroms durch die Auslassöffnung 103 in eine Umgebung mit höherem Druck, ohne eine Bremswirkung hervorzurufen.
  • Der dynamische Druck steigt bis zum Ende des Konvergent 507 an und nimmt danach aufgrund des graduellen Geschwindigkeitsabfalls und aufgrund des scharfen Abfalls der Luftdichte in dem Divergent 509 rapide ab. Eine Arbeitsturbine 9 mit einem Rotor 901 wird daher am Ende des Konvergent 507 angeordnet, um den Luftstrom (spiralförmig) in ein mechanisches Drehmoment zu transformieren.
  • Um noch bessere Ergebnisse zu erzielen, wird die lineare Bewegung des Luftstroms durch längliche spiralförmige Trägerrippen 7, die in dem Konvergent 507 befestigt sind, gleichmäßig und geregelt in eine spiralförmige Drehbewegung transformiert. Es ist insbesondere vorteilhaft, die lineare Bewegung des Luftstroms gleichmäßig und geregelt in die spiralförmige Bewegung zu beschleunigen und zu transformieren, um einen Trägheitsverlust zu verhindern, bzw. zu minimieren. Folglich wird ein besserer aerodynamischer Koeffizient erreicht. Der beschleunigte Luftstrom wird bevorzugt im rechten Winkel auf den Rotor 901, bzw. die Rotorblätter 9011 gerichtet. Dies erhöht wiederum die erzeugte Energie. Ein spiralförmiger turbulenter Luftwirbel mit hoher tangentialer, aber verringerter axialer Geschwindigkeit wird durch den Divergent 509 geführt. Der Effekt kann auch mit einem ”Mikro-Tornado” verglichen werden, der in dem Divergent 509 erzeugt wird, nicht an seiner Peripherie.
  • Die Transformation des lokalen Luftstroms, welche aus der Beschleunigung des Luftstroms in dem Konvergent 507 zusammen mit der Transformation seiner geradlinigen Bewegung in eine spiralförmige Bewegung und der Erzeugung eines kraftvollen turbulenten Luftwirbels bzw. eines Abfalls des statischen Druckes hinter dem Rotor 901 besteht, in ein mechanisches Drehmoment ermöglicht die Konzentration von hoher Ausgangsleistung des Rotors 901 mit signifikant kompakter Struktur der Windturbine 1, selbst bei kleiner nominaler Windgeschwindigkeit. Folglich erzeugt die Kombination von einem hohen mechanischen Drehmoment mit einer hohen Frequenz der Arbeitsturbine 9 eine signifikante Ausgangsleistung, die dem Elektrogenerator 303 zugeführt wird. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Windturbine 1 schon mit einer niedrigen nominalen Windgeschwindigkeit zu betreiben.
  • Die Aerodynamik des Konvergent 507 ist nicht trivial. Ihr liegt die Aerodynamik paralleler Führungskanäle zugrunde. Durch den Konvergent 507, bzw. die Konvergenten 5071, 5073 wird ein eintretender Luftstrom in gleiche parallele Luftströme unterteilt, welche wiederum präzise gerichtet und beschleunigt werden, so dass sie sich vor dem vorderen Stator 903 in einer Bündelzone 5075 wieder sammeln gebündelt und auf den Rotor 901 geleitet werden.
  • Die Windturbine 1 der vorliegenden Erfindung ist kompakter, leichter und kostengünstiger als herkömmliche Windkraftanlagen. Sie hat eine hohe Sensitivität gegenüber der Windgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Abwesenheit einer oberen kritischen Geschwindigkeit. Die jährliche gemittelte Kapazität liegt bei 70% bis 80% der maximalen Leistung verglichen mit einer mittleren Kapazität von etwa 34% für herkömmliche Windkraftanlagen. Anders als diese beeinflussen sich die erfindungsgemäßen Windturbinen 1 nicht gegenseitig, wenn sie dicht beieinander stehen. So können mehrere Windturbinen 1 auf einem Mast 13 positioniert werden, d. h. bei geringeren Kosten kann mehr Leistung erzeugt werden. Die einzelnen Masten 13 können in einem Windpark dichter beieinander positioniert werden. Die vorliegende Erfindung zeigt, dass erfindungsgemäß Windturbinen 1 zur Erzeugung hoher elektrischer Energie mit deutlich geringeren anfänglichen Investitionen hergestellt werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Windturbine
    101
    Einlassöffnung
    103
    Auslassöffnung
    3
    inneren Korpus
    301
    zylindrischer Grundkörper
    303
    Generator
    305
    Getriebe
    307
    Haube
    309
    Durchmesser-Verringerung des zylindrischer Grundkörpers 301
    5
    äußerer Korpus
    501
    Gehäusemantel
    503
    Trichterbauteil
    503a, 503b
    Trichterbauteile
    505
    Kalottenbauteil
    507
    Konvergent
    507a, 507b
    Teil-Konvergenten
    5071
    Konvergent
    5073
    Konvergent
    5075
    Bündelzone
    509
    Divergent
    511
    Ableitungskanal
    513
    Verschlussvorrichtung
    7
    Trägerrippe
    7a, 7b
    Trägerrippen
    71
    Trägerrippe
    71a, 71b
    Trägerrippen
    73
    Trägerrippe
    73a, 73b
    Trägerrippen
    9
    Arbeitsturbine
    901
    Rotor
    9011
    Rotorblätter
    903
    vorderer Stator
    9031
    Leitelemente
    905
    hinterer Stator
    9051
    Lamellen
    11
    Kompensationsring
    13
    Mast
    15
    Gondel
    17
    Arbeitsplattform
  • 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
    • US 2004/0183310 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Windturbine (1), umfassend – einen inneren Korpus (3), der einen zylindrischen Grundkörper (301) mit stromaufwärts angebrachter Haube (307) und einen in dem zylindrischen Grundkörper (301) angeordneten Generator (303) aufweist, – einen äußeren Korpus (5), der einen Gehäusemantel (501) und zumindest ein in dem Gehäusemantel (501) angeordnetes Trichterbauteil (503), dessen Querschnitt in Strömungsrichtung abnimmt, sowie ein in dem Gehäusemantel (501) stromabwärts angeordnetes Kalottenbauteil (505) aufweist, – zumindest eine Trägerrippe (7), die den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbindet, und – eine an dem stromabwärtigen Ende des inneren Korpus (3) angeordnete und mit dem Generator (303) verbundene Arbeitsturbine (9) mit einem Rotor (901), wobei der äußere Korpus (5) mit dem inneren Korpus (3) zumindest einen Konvergent (507) ausbildet, der sich über die Länge des inneren Korpus (3) erstreckt, und wobei der äußere Korpus (5) anschließend an das stromabwärtige Ende des inneren Korpus (3) einen Divergent (509) ausbildet.
  2. Windturbine (1) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Trägerrippe (7) in Strömungsrichtung spiralförmig ausgebildet ist.
  3. Windturbine (1) nach Anspruch 2, wobei zwei oder mehr Trägerrippen (7a, 7b) den inneren Korpus (3) mit dem äußeren Korpus (5) verbinden und zwei oder mehr, vorzugsweise spiralförmige Teil-Konvergenten (507a, 507b) ausbilden, die an ihrem stromabwärtigen Ende auf den Rotor (901) der Arbeitsturbine (9) gerichtet sind.
  4. Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Arbeitsturbine (9) in Strömungsrichtung vor dem Rotor (901) einen vorderen Stator (903) und/oder in Strömungsrichtung hinter dem Rotor (901) einen hinteren Stator (905) aufweist.
  5. Windturbine (1) nach einem Ansprüche 1 bis 4, wobei der äußere Korpus (5) zwei konzentrisch zueinander angeordnete Trichterbauteile (503a, 503b) aufweist und mit dem inneren Korpus (3) zwei Konvergenten (5071, 5073) ausbildet.
  6. Windturbine (1) nach einem Ansprüche 1 bis 5, wobei der äußere Korpus (5) einen mit dem stromabwärtigen Bereich des zumindest einen Konvergent (507) verbundenen Ableitungskanal (511) aufweist, der gegenüber dem zumindest einen Konvergent (507) mittels einer Verschlussvorrichtung (513) ganz oder teilweise verschließbar ist.
  7. Windturbine (1) nach einem Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem stromaufwärtigen Einlass (101) des zumindest einen Konvergent (507) zumindest ein Kompensationsring (11) konzentrisch mit dem inneren Korpus (3) und dem äußeren Korpus (5) angeordnet ist.
  8. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Luftstrom mittels der Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte: a) Aufnehmen eines Luftstroms aus der Umgebung in den zumindest einen Konvergent (507) der Windturbine (1), b) Beschleunigen und Verdichten des Luftstroms in dem zumindest einen Konvergent (507) durch zunehmende Verringerung von dessen Querschnittsfläche, c) gerichtetes Leiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms auf den Rotor (901) und dadurch Antreiben der Arbeitsturbine (9), d) nach Durchlaufen des Rotors (901) Einleiten des beschleunigten, verdichteten Luftstroms in den Divergent (509) und Verlangsamen und Expandieren des Luftstroms.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei in Schritt b) die geradlinige Strömungsbewegung des Luftstroms durch die zumindest eine Trägerrippe (7) in eine spiralförmige Strömungsbewegung umgewandelt wird, so dass in Schritt c) der beschleunigte, verdichtete Luftstrom in einem stumpfen Winkel auf den Rotor (901) geleitet wird, und in Schritt d) in dem Divergent (509) eine turbulente Strömung erzeugt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei bei Überschreiten einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms aus der Umgebung in Schritt a) die Verschlussvorrichtung (513) zumindest teilweise geöffnet und zumindest ein Teil des Luftstroms durch den Ableitungskanal (511) an dem Rotor (901) vorbeigeleitet wird.
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