DE102016010416A1

DE102016010416A1 - Verbesserte Windkraftanlage mit linearer Turbine

Info

Publication number: DE102016010416A1
Application number: DE102016010416.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine hocheffiziente Erzeugung von elektrischer Energie mittels Windkraft und benutzt dabei eine lineare Turbine. Die Flügel, seitlich gehalten von Flachzahnriemen, bilden zwei vertikale parallele Ebenen, die dem Wind ausgesetzt werden. An den Enden der Riemen greifen diese in Zahnräder und bringen die Flügel von einer zur anderen vertikalen Fläche für die Interaktion mit dem Wind. Die Windmassen werden beim Eintreten ins Gerät mittels Umlenker tangential zum jedem Flügel einer Turbinenseite – ca. die Hälfte der Länge der gesamten vertikalen Interaktionsfläche mit dem Wind – geführt und fließen auf einer gekrümmten Strecke entlang der etwa zylindrisch gekrümmten Flügel, so daß eine Impulsübertragung an die Flügel stattfindet, ohne daß die Windgeschwindigkeit wesentlich gemindert wird. Im schmalen zentralen Hohlraum der Anlage übernimmt ein Innenstator die Umlenkung der Luftmassen, so daß diese tangential aufgerichtet auf die Flügel der anderen Hälfte der Turbine auftreffen und wiederum auf einer gekrümmten Strecke entlang der etwa zylindrisch gekrümmten Flügel fließen, so daß eine Impulsübertragung an die Flügel stattfindet, ohne daß die Windgeschwindigkeit wesentlich gemindert wird. Anschließen werden die Luftmassen ein drittes Mal umgelenkt und verlassen die Turbine etwa in dieselbe Richtung wie beim Einlaß in dieser. Ein Prozeß der Luftabkühlung erfolgt in beiden vertikalen Interaktionsebenen, welche die Flügel bilden und zwar dadurch, daß die Impulsübertragung Luft/Flügel die braunsche Bewegung der Luftmoleküle abkürzt, wobei die entnommene Energie in nützliche Arbeit umgewandelt wird; die Kühlung der Luft ist um so stärker, je mehr Energie in der linearen Turbine in elektrischer Energie durch die Belastung des Elektrogenerators umgewandelt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit linearer Turbine zur Umwandlung der Windenergie in elektrischer Energie.
Geräte mit denen man die Windenergie in elektrische Energie umwandelt sind bekannt. Dabei spielen die großen Windgeneratoren mit axialen Windrädern und mit großer Spannbreite eine herausragende Rolle. Diese haben alle einen großen Nachteil: die Energieausbeute reduziert sich auf die Übernahme einer geringfügigen Menge der Energie, die der Wind auf der Kreisfläche der Spannbreite zur Verfügung stellt. Daraus resultieren weitere Nachteile: um große Energiemengen zu produzieren, müssen die Spannbreiten dieser Windräder enorme Ausmaße annehmen, was diese Art von Geräten unnötig verteuert und außerdem ist der Betrieb solcher Räder mit starken Betriebsgeräuschen verbunden, was sie für die Ansiedlung im bewohntem Gebiet fraglich macht.
Aus der DE 20 2013 491 U1 ist eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse und mehreren Windflügeln zu entnehmen, die S-förmig sind, so daß durch lokale Verwirbelung unterschiedliche Drücke auf den benachbarten Flügeln entstehen und so eine Antriebskraft entsteht; dabei ist die Wirksamkeit relativ niedrig.
Die US2003/0133782A1 hat einen Rotor mit Flügeln und Eingangsumlenker, welche aber geschmälerte Luftströme erzeugen sollen, die radial auf die Flügel des Rotors treffen und eine Krafterzeugung durch Erzwingung unterschiedlich langen Wege für die Luftströmungen auf der Vorder- und Hinterseite der Flügel praktizieren, was zu einer bescheidenen Effizienz führt.
Die US2011/0171011A1 hat ebenfalls einen Rotor mit Flügeln und Eingangsumlenker, die jedoch darauf zielen, einen verstärkten Staueffekt auf den Flügeln des Rotors zwecks Kraftentfaltung zu erzeugen, jedoch mit einem so geringem Wirkungsgrad, daß eine praktische Bedeutung ausgeschlossen ist.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, ein Windgenerator für die Energieumwandlung Wind/Elektrizität mit mehr Effizienz zu gestallten; zugleich wird eine Vereinfachung der Anlage erreicht.
Beim Hauptpatent DE 10 2016 003 249 benutzt die Erfindung eine spezielle lineare Turbine. Die Windmassen werden beim Eintreten ins Gerät mittels Umlenker tangential zum jedem Flügel einer Turbinenseite – ca. die Hälfte des Umfangs – geführt und fließen auf einer gekrümmten Strecke entlang der etwa zylindrisch gekrümmten Flügel, so daß eine Impulsübertragung an die Flügel stattfindet, ohne daß die Windgeschwindigkeit wesentlich gemindert wird. Dabei sind die Flügel an den Enden an zwei segmentierten Ketten gehalten, was eine lineare Bewegung dieser Flügel ermöglicht, wobei am Ende der Bewegungsstrecke Kettenräder für eine Umkehr in eine zweite Interaktionsebene sorgen.
Im zentralen Hohlraum der linearen Turbine übernimmt ein Innenstator die Umlenkung der Luftmassen, so daß diese tangential aufgerichtet auf die Flügel der anderen Hälfte der Turbine, bzw., der Interaktionsebene tangential auftreffen und wiederum auf einer gekrümmten Strecke entlang der etwa zylindrisch gekrümmten Flügel fließen, so daß eine Impulsübertragung an die Flügel stattfindet, ohne daß die Windgeschwindigkeit wesentlich gemindert wird. In beiden Interaktionsebenen kühlt sich die Luft etwas ab, weil ein Teil der thermischen Energie der Luft in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Anschließen werden die Luftmassen ein drittes Mal umgelenkt und verlassen die Turbine etwa in dieselbe Richtung wie beim Einlaß in dieser. Der Aufbau ist so gestaltet, daß die Turbine ähnlich einem Segel dem Wind drehbar ausgesetzt wird und stets die maximale Fläche dem Wind anbietet.
Gelöst wird die Aufgabe bei der vorliegenden Erfindung indem auf Ketten und Kettenräder verzichtet wird und statt dessen Flachzahnriemen und Zahnräder mit den dazugehörigen Anpassungstücken benutzt werden. Dies bringt sowohl funktionelle als auch betriebliche Vorteile mit sich: geringe Geräuschentwicklung, deutlich vergrößerte Laufruhe, erhöhter Wirkungsgrad und Vermeidung von Laufstörungen durch Ausfall einzelner Kettenglieder.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und des erfindungsgemäßen Windgenerators ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
Es zeigt:
1 Schnitt B-B (Längsschnitt) durch die Windkraftanlage
2 Schnitt A-A (Querschnitt) durch die Windkraftanlage
Es wird ein Verfahren zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie in einer von einem äußeren Wind 1 beaufschlagten Windkraftanlage benutzt, die viele parallel und beweglich angeordnete Flügel 2 in zwei vertikal aufgeteilten parallelen Flächen – auch Windinteraktionsflächen genannt – aufweist, welche Interaktionsflächen quer zur Windrichtung stehen und immer diese Lage einhalten, wobei alle Flügel 2 seitlich an Flachzahnriemen 3 verbunden sind, so daß die Flachzahnriemen 3 an den Enden dieser Flächen an Zahnrädern 4, 28 angehängt sind und eine lineare Bewegung der Flügel 2 innerhalb der parallelen Flächen im Bereich zwischen den Zahnrädern 4 ermöglichen. Der äußere Wind 1 wird durch am Einlaß gleichbeabstandete, im weiterem Verlauf geeignet gebogene Eingangsumlenker 5 in einzelne erzwungene Luftströmungen 6 aufgeteilt und auf in deren axialer Richtung zylindrisch geformte Flügel 2 geführt. Alle Luftströmungen 3 sind tangential zu den Flügeln 2 orientiert und an der Innenseite dieser Flügel 2 befindlich auf der Einlaßseite parallel gezwungen werden, die Krümmung der Flügel 2 einzuhalten, wodurch eine Richtungsänderung des Geschwindigkeitsvektors V₁' zu V₂' stattfindet, was dazu führt, daß ein beträchtlicher Anteil der den Luftströmungen innewohnenden Impulse als Kraft F_f1 auf den einzelnen Flügel 2 sich überträgt, welche durch die Flachriemen 3 zusammenaddiert an die Zahnräder 4, 28 übergeben werden und so als Drehmoment M₁ = N_S·F_f1 (N_S ist Anzahl der Flügel 2 auf einer Seite) für die Umwandlung in elektrischer Energie mittels des direkt an der Welle der Zahnräder 4 gekoppelten Elektrogenerators 7 zur Verfügung steht. Die Luftströmungen 8, welche die Flügel 2 der ersten vertikalen Fläche der Windkraftanlage verlassen haben, weisen einen Geschwindigkeitsvektor V₂ auf, der ohne die Komponente der Eigenbewegung der Flügel u horizontal wäre V₂, aber so leicht nach oben zeigt, tangential durch die geeignet gebogenen Bleche des Innenumlenkers 9 fließen und umgelenkt durch deren Krümmung auf der anderen Seite mit einem leicht nach unten gerichteten Geschwindigkeitsvektor V₃ herauskommen – der Winkel hat denselben Wert wie der Winkel des Geschwindigkeitsvektors V₂, aber anders gerichtet –, um tangential durch die Flügel 2 der anderen, nach unten bewegten Reihe von Flügeln 2 zu fließen.
Diese Luftströmungen 10 werden gezwungen die Krümmung der Flügel 2 zu folgen, wodurch eine Richtungsänderung des Geschwindigkeitsvektors V₃' zu V₄' stattfindet, die dazu führt, daß ein weiterer beträchtlicher Anteil der den Luftströmungen 10 innewohnenden Impulse als Kraft F_f2 auf den einzelnen Flügel 2 sich überträgt, welche durch die Flachriemen 3 zusammenaddiert an den Zahnrädern 4 vorliegen und somit als Drehmoment M₂ = N_S·F_f2 zur Verfügung steht und so wird der gesamte Drehmoment M = M₁ + M₂ zur Umwandlung in elektrischer Energie angeboten. Während der beiden Gruppen von Impulsübertragungen werden die Luftmoleküle etwas abgebremst – die braunsche Bewegung der Moleküle verliert an Schwung und die Bewegungsabläufe zwischen zwei Zusammenstößen werden kürzer – wodurch die Lufttemperatur in den nach außen entlassenen Luftströmungen 10 etwas absinkt und zwar in einer ähnliche Weise, wie bei den Dampfmolekülen beim Passieren der Flügel einer damit betriebenen Turbine, wobei dieser Effekt durchaus zur Begrenzung der Klimaerwärmung benutzt werden kann, da durch diese Anlagen eine große Menge Luft fließt. Die Abmessungen der vertikalen, vom äußeren Wind 1 beaufschlagten Flächen mit den Flügeln 2 können fast beliebig groß sein, bei gleichzeitig geringen Querabmessungen oder Breite – Abstand zwischen den parallelen Flächen der Flügelreihe – der Windkraftanlage, was die Umwandlung großer Windenergiemengen in elektrischer Energie begünstigt und das bei einem geringen Gewicht der Anlage und wobei der relativ kleine Abstand zwischen den vertikalen vom Wind 1 beaufschlagten Flächen eine geringe Breite des Innenstators 9 ergibt, worin eine sichere und zweckgerichtete Luftführung stattfindet. Die einzelnen, fast tangentialen Luftströmungen 10 werden bei Austritt aus den Flügeln 2 der zweiten vertikalen Fläche – oder Interaktionsebene – durch geeignet gebogenen Elemente eines Ausgangsumlenkers 11 in die ursprüngliche Windrichtung gezwungen, wobei die Ausgangsumlenkerelemente am Auslass gleichbeabstandet sind und sich dadurch eine Symmetrie ergibt, die ermöglicht, daß die Windkraftanlage genau so funktionsfähig bleibt, unabhängig davon von welcher Seite der Wind 1 kommt, was allerdings nur dann erforderlich ist, wenn die Windkraftanlage nicht drehbar, sondern fest eingebaut ist.
Die Elemente der Eingangsumlenker 5, des Innenumlenkers 9 und des Ausgangsumlenkers 11 weisen solche Krümmungen auf, daß ein laminares Fliessen der Luft bei der Durchströmung der von Ihnen gebildeten Kanälen gewährleisten.
Die Basisplatte 12 des Gehäuses 19 an dem Teil der dem Wind 1 abgewandt ist, stützt sich auf zwei Rollen 13, während mittels horizontalen Verlängerung 14 des Gehäusebodens um eine vertikale Lagerung 15 sie drehbar gehalten wird, so daß die Windkraftanlage stets die Neigung hat, sich dem Wind frontal auszusetzen, wobei bei jeder Windrichtungsänderung eine Versetzung auf den Rollen 13 stattfindet, bis wiederum die maximalle Frontfläche dem Wind angeboten wird, während die gesamte Windkraftanlage um die vertikale Achse der vertikalen Lagerung 15 sich dreht, wobei zwei schräg angeordnete Leisten 16 sicherstellen, daß keine Verbiegung der Basisplatte 12 stattfindet, wenn der Wind 1 auf der Frontseite der Windkraftanlage drückt und wobei eine kreisrunde Schiene 17 verhindert, daß bei plötzlicher Windrichtungsänderung die Windkraftanlage sich vom Boden entfernt oder gar umkippt.
Zwei vertikale Tragewände 18 bilden die Seiten des Gehäuses 19, welche Tragewände 18 aus jeweils 2 parallelen Blechen a, b verbunden durch Verstärkungsleisten c und nach einem geeigneten Raster plazierten Abstandshaltern d, alle mittels Schrauben, Nieten oder Schweißpunkten verbunden, bestehen, welche die Lagerungen 20, 21, 22, 23 von einer oberen Welle 24 und einer unteren Welle 25 halten, dergestalt, daß die vier Zahnräder 4, 28 an den Enden der Wellen 24, 25 befestigt sind, welche die Flachzahnriemen 3 mit winkelförmigen Verbindungselementen 30 halten, welche mittels Schrauben an den Flügeln 2 befestigt sind.
Die Führungsrollen 27 plaziert mittig an den Endteilen 29 im Bereich zwischen den oberen und unteren Zahnräder 4, 28 bewegen sich stets in einem vertikal angeordneten U-förmigen Führungsprofil 32. Ein jeweils weitere gelagerte Führungsrolle 31 ist an dem äußeren Ende des jeweiligen Endteils 29 plaziert und in einem ebenfalls vertikalen U-förmigen Führungsprofil 33 nur nach oben oder unten beweglich ist, dergestalt, daß durch die Wahrung des Abstandes zwischen den U-förmigen Führungsprofilen 32, 33 die benötigte Neigung der Endteile 29 und der damit verbundenen Flügel 2 auf der ganzen vertikalen Fläche eingehalten wird.
Am Windeinlaß fließt der äußere Wind 1 durch die geeignet nach oben gebogenen Elemente des Eingangsumlenkers 5 und lenkt dementsprechend in einem steilen Winkel nach oben einzelne Strömungen 6, dergestalt, daß sie tangential zwischen den Flügeln 2 der ersten vertikalen Fläche hereinkommen. Die Elemente des Eingangsumlenkers 5 sind an seitlichen Haltebleche 34 befestigt, welche gleichzeitig die seitlichen Führung der Luftströmungen 6 darstellt, wobei die Haltebleche 34 wiederum starr an dem Gehäuse 19 bzw., an den Tragwänden 18 befestigt ist. Der zentrale Raum zwischen den beiden Wellen 24, 25 ist dem Innenumlenker 9 zugewiesen, wessen geeignet gebogene Elemente an zwei Innenstatorhalteblechen 35 starr befestigt sind, welche an einigen Platten 36, 37, 38, 39 welche die Lagerungen 20, 21, 22, 23 halten und mit dem Gehäuse 19 starr verbunden sind, befestigt sind, so daß die Luftführung eingangsseitig schräg nach oben, endseitig schräg nach unten, in diesem Innenstator sicherstellt. Die geeignet gebogenen Elemente des Ausgangsumlenkers 11 sind an zwei Halteblechen 35 seitlich befestigt, dergestalt, daß die schräg nach unten fließenden Luftströmungen 10 in die horizontale gezwungen werden beim Verlassen des Ausgangsumlenkers 11, wobei die Haltebleche 35 wiederum an den seitlichen Tragewände 18 befestigt sind.
Die Welle des Elektrogenerators 7 ist mechanisch direkt mit der Welle 24 verbunden, während das Gehäuse des Elektrogenerators 7 an der Platte 36 angeschraubt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202013491 U1 [0003]
US 2003/0133782 A1 [0004]
US 2011/0171011 A1 [0005]
DE 102016003249 [0007]

Claims

Verbesserte Windkraftanlage mit linearer Turbine und mit dem Strömungsverlauf für das die Anlage durchlaufenden Wind (1), wie im Hauptpatent DE 10 2016 003 249, wobei der äußere Wind (1) parallele Umlenkbleche, die den Eingangsumlenker (5) bilden, passieren und im günstigsten Winkel in die vordere Reihe von parallel verlaufenden Flügeln (2) fließen und dann die parallelen inneren Umlenkbleche, die den Innenstator (9) bilden, passieren und dadurch im günstigsten Winkel in die hintere Reihe von parallelen horizontalen Flügeln (2) fließen, wobei eine Impulsübertragung von den Luftmassen an jeden Flügel (2) erfolgt und eine Ausnutzung der entstandenen Kräfte ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass 1) die horizontal und parallel angeordnete Flüghel (2) mit deren Endteilen (29) in regelmäßigen Abständen an zwei parallel verlaufenden Flachzahnriemen (3) durch winkelförmige Verbindungselemente (30) starr verbunden sind, 2) Wobei, die beiden Zahnriemen (3) zwischen einem oberen und einem unterem Paar von Zahnrädern (4, 28) aufgespannt sind, dergestalt, daß eine synchrone Bewegung der Flachzahnriemen (3) durch Vorhandensein einer oberen und unteren Welle (24, 25), starr verbunden mit den Zahnrädern (4, 28) möglich ist, wobei bei einer der Wellen ein Elektrogenerator angetrieben ist, 3) Wobei, die Endteile (29) eine mittige Führungsrolle (27) und eine äußere Führungsrolle (31) aufweisen, welche im vertikalen linearen Bewegungsbereich zwischen den Zahnrädern (4, 28) stets in je einem vertikal angeordneten U-förmigen Führungsprofil (32, 33) gleiten können, dergestalt, daß durch die Wahrung des Abstands zwischen den U-förmigen Führungsprofilen (32, 33) die benötigte Neigung der Endteile (29) und damit verbundenen Flügel (2) auf der ganzen vertikalen Fläche eingehalten wird.