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Es werden eine Windkraftanlage mit zwei gegenläufig um eine vertikale Rotationsachse drehbaren Rotoren und ein Verfahren zum Steuern einer Windkraftanlage mit zwei gegenläufig um eine vertikale Rotationsachse drehbaren Rotoren beschrieben.
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Hinsichtlich der Leistungsklassen unterscheidet man Klein-(Mikro-, Miniwindkraftanlagen), Mittel- und Großwindkraftanlagen mit jeweils unterschiedlichen Nennleistungen. Bei der Bauform wird in Bezug auf die Anordnung der Rotorachse zwischen horizontalen (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbine) und vertikalen (VAWT - Vertical Axis Wind Turbine) Windkraftanlagen unterschieden. Die Umwandlung der kinetischen Energie in mechanische Energie erfolgt durch den Rotor der Windkraftanlage. So erfolgt bspw. bei Savonius-Rotoren (VAWT) die Energieumwandlung nach dem Widerstandsprinzip und bei herkömmlichen Windrädern (HAWT) nach dem Auftriebsprinzip (z.B. Horizontalanlage mit dreiflügeligem Rotor). Bei dem Auftriebsprinzip (z.B. Horizontalanlage) wird bei dem Vorbeiströmen des Windes an den Flügeln der Windkraftanlage ein Auftrieb ähnlich wie bei Flugzeugflügeln erzeugt, der den Flügel der Anlage in Rotation versetzt. Bei dem Widerstandsläufer (Savonius-Rotor) wird dem Wind ein Widerstand entgegengesetzt und der Rotor in Bewegung gesetzt.
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VAWT-Anlagen eignen sich aufgrund des robusten Betriebsverhaltens, den geringen Schallemissionen und der Vermeidung von Schattenschlägen insbesondere für den Betrieb in Wohngegenden und an Standorten mit hohen Geräusch- und Lärmanforderungen. Nachteilig sind die geringen Wirkungsgrade dieser Anlagenform mit oftmals nur ca. 20%.
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HAWT-Anlagen zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade von ca. 40% und günstigen Herstellkosten aus. Nachteilig sind Emissionen (Schall/ Vibrationen), Schattenwürfe und Diskoeffekte insbesondere bei tiefstehender Sonne. Darüber hinaus weisen diese Anlagen ein schlechteres Leistungsverhalten bei starken Windverhältnissen aus. Entsprechende Anlagen werden bei ca. 20 m/s aus dem Wind genommen und heruntergefahren.
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Die gegenüber freiumströmenden Windenergieanlagen höhere Energieausbeute bei Mantelstromturbinen beruht auf der Tatsache, dass der die Turbine um- und durchströmende Wind durch den nach dem aerodynamischen Prinzip eines Flugzeugflügels arbeitenden Diffusor oder Ablenkeinheit beschleunigt wird. Ein Diffusor stellt eine Ummantelung des Rotors mit einem umgekehrten Trichter dar. Dieser Diffusor bewirkt eine zusätzliche Zirkulationsströmung, deren Geschwindigkeitskomponenten im Diffusor gleichsinnig mit der Windströmung gerichtet sind und diese somit verstärkt.
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Windkraftanlagen mit Savonius-Rotoren weisen jedoch gegenüber HAWT-Anlagen auch Vorteile auf. So kann der Wind von allen Seiten aufgenommen werden, ohne dass eine Windnachführung benötigt wird. VAWT arbeiten auch bei turbulenten Windverhältnissen problemlos - aufwendige Rotorblätter-Verstelleinrichtungen entfallen. VAWT-Anlagen brauchen bei Sturm nicht aus dem Wind genommen werden, wobei demgegenüber HAWT-Analgen in der Regel zwischen 24-27 m/s abgeschaltet werden. Savonius-Rotoren sind robuster, zeigen kaum Verschleiß, sind nahezu wartungsfrei und günstig bei den Betriebskosten, da der mechanische Aufbau weit weniger komplex ist. Auch deshalb können Savonius-Rotoren für längere Betriebszeiten ausgelegt werden. Darüber hinaus sind Savonius-Rotoren fast geräusch- und emissionsfrei.
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Die Rotoren solcher Windkraftanlagen weisen in der Regel mindestens zwei Flügel auf. Solche als VAWT bezeichneten Windkraftanlagen können neben Savonius- auch Darrieus-Rotoren aufweisen.
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Windkraftanlagen mit Savonius-Rotoren weisen oftmals eine Ummantelung auf. Die Ummantelung dient dazu die auf die Rotoren treffende Luft zu kanalisieren und dadurch den Wirkungsgrad der Windkraftanlagen zu erhöhen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Windkraftanlagen mit Savonius-Rotoren bekannt, welche beispielsweise in
GB 2 496 277 A ,
FR 250 93 84 A1 oder
DE 103 31 682 A1 beschrieben sind.
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DE 103 31 682 A1 offenbart eine Windkraftanlage mit zumindest einem Rotor mit vertikaler Rotationsachse, der eine Anzahl von Rotorblättern umfasst, die in Umfangsrichtung in gleichen Abständen verteilt um einen freien Durchströmraum im Bereich der Rotationsachse herum angeordnet sind. Eine den Rotor teilweise umschließende Leitflächenkonstruktion weist einen seitlichen Strömungseinlass, der von zwei Leitflächen begrenzt wird, von denen die in Bezug auf die Umlaufrichtung des Rotors stromaufwärts gelegene Leitfläche einen konkav gewölbten horizontalen Querschnitt aufweist, und einen Strömungsauslass auf, der dem Strömungseinlass gegenüberliegt. Im Strömungseinlass ist zumindest eine Leitflosse angeordnet, die gemeinsam mit der stromaufwärts gelegenen Leitfläche einen Strömungskanal begrenzt, der sich zu einer Mündung hin verjüngt. Diese Mündung ist so ausgerichtet, dass der aus dem Strömungskanal austretende Luftstrom tangential auf die zylindrische Einhüllfläche des Rotors trifft.
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FR 250 93 84 A1 offenbart eine Windkraftanlage mit zwei gegenläufig drehbaren Rotoren sowie zwei seitlichen Luftablenkmitteln, die verschwenkt werden können, um den Luftstrom auf die Rotoren in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit zu beeinflussen.
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GB 2 496 277 A offenbart eine Windkraftanlage mit zwei gegenläufig drehbaren Rotoren sowie zwei seitlich angeordneten Ablenkelementen und einem mittigen, die beiden Rotoren mindestens abschnittsweise verdeckenden Ablenkelement. Das mittig angeordnete Ablenkelement sowie die seitlichen Ablenkelemente können verschwenkt werden, um in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit einen Luftstrom auf die Flügel der Rotoren einzustellen.
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Die
GB 2 496 277 A offenbart weiterhin ein Windturbinensystem mit einem formveränderbaren Windeinlass. Es sind Seitenlamellen/Klappen derart angeordnet, dass der Luftstrom durch das Gehäuse gelenkt wird, um einen maximalen Venturi-Effekt zu erzielen. Jede Turbine des Windturbinensystems ist in der Lage mehrere Generatoren anzutreiben, die je nach Windbedingungen einzeln zu- oder abgeschaltet werden können. In einer alternativen Ausführungsform ist ein stufenloses Getriebe zwischen Turbine und Generator angeordnet.
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DE 10 2009 040 467 A1 offenbart eine Vorrichtung nach Art einer Windturbine zur Nutzbarmachung der in einem Luftstrom enthaltenen Energie. Die Windturbine besteht aus einem Rotorzylinder mit Schaufeln, der von einem feststehenden Leitzylinder mit Lamellen und Fangflügeln umschlossen ist. Die Fangflügel sind in Anströmrichtung von vorne nach hinten gestaffelt, von Fangflügel zu Fangflügel weiter seitlich auslaufend endend angeordnet, sodass die Fangflügel ihnen zugemessene Teilströme des anstehenden Luftstroms auffangen und zu den Lamellen umleiten.
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US 419 345 A offenbart eine Windkraftanlage mit einer Ablenkeinheit, die mindestens um zwei parallel zu den Rotationsachsen von in der Windkraftanlage angeordneten Rotoren verschwenkbar gelagert sind.
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Vertikale Windkraftanlagen eignen sich gegenüber horizontalen Windkraftanlagen aufgrund des robusten Betriebsverhaltens, den geringen Schallemissionen und der Vermeidung von Schattenschlägen insbesondere für den Betrieb in Wohngegenden und an Standorten mit hohen Geräusch- und Lärmanforderungen. Jedoch sind die Wirkungsgrade bei vertikalen Windkraftanlagen oftmals geringer als bei horizontalen Windkraftanlagen. Durch die Anordnung von Ablenkeinrichtungen wird versucht, den auftreffenden Luftstrom gezielt so auf die Flügel der Rotoren zu bringen, dass eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht wird. Problematisch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Windkraftanlagen ist es jedoch, dass in Abhängigkeit der Stellung von beispielsweise mittig angeordneten Ablenkeinheiten, einströmende Luft auf einen zurückkommenden Flügel treffen kann, wodurch der Wirkungsgrad wieder reduziert wird.
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Es ist daher Aufgabe, eine Windkraftanlage sowie ein Verfahren zum Steuern einer Windkraftanlage anzugeben, wobei der Wirkungsgrad von vertikalen Windkraftanlagen erhöht wird und die Windkraftanlage geräuscharm sowie ohne Vibrationen betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Windkraftanlage mit den in Anspruch 1 angegebenen technischen Merkmalen und durch ein Verfahren zum Steuern einer Windkraftanlage mit den in Anspruch 11 angegebenen technischen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen im Detail angegeben.
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Bei einer die Aufgabe lösenden Windkraftanlage mit zwei gegenläufig um eine vertikale Rotationsachse drehbaren Rotoren, die jeweils mindestens zwei Flügel aufweisen, und einer in Strömungsrichtung vorgelagerten Ablenkeinheit, welche die Rotoren jeweils mindestens abschnittsweise verdeckt, weist die Ablenkeinheit Luftleitelemente auf, die beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den Luftleitelementen Kanäle mit frontseitigen Eintrittsöffnungen und den Rotoren zugewandten Austrittsöffnungen ausgebildet sind.
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Die Ablenkeinheit kann ferner ein mittig angeordnetes Luftleitelement aufweisen, das sich in Strömungsrichtung frontseitig erstreckt. Zudem können die Flügel der Rotoren zwischen einer oberen und einer unteren Rotorplatte angeordnet sein.
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Durch die Ausbildung von Kanälen in der Ablenkeinheit wird die Luftzufuhr zu den Flügeln der Rotoren gegenüber ähnlichen Einrichtungen aus dem Stand der Technik verbessert. Im Stand der Technik werden zwei zueinander verschwenkbare Luftleitbleche offenbart, wobei über deren Stellung die Ablenkung der Luft zu den Rotoren erfolgt. Weist die Ablenkeinheit, wie bei der hierin beschriebenen Windkraftanlage vorgesehen, Kanäle auf, so strömt die Luft nicht nur entlang der Oberfläche der Ablenkeinheit und dem mittig angeordneten Luftleitelement entlang, sondern durchströmt auch die Ablenkeinheit, sodass in Abhängigkeit der Ausbildung der Luftleitelemente und der Kanäle auftreffende Luft auch zu den Bereichen der Rotoren geführt werden kann, welche bei den Anlagen aus dem Stand der Technik von den Luftleitblechen verdeckt sind. Ein mittig angeordnetes Luftleitelement ermöglicht die Aufteilung eines auftreffenden Luftstroms zu den beiden Rotoren. Die Ablenkeinheit kann ferner ein rückseitiges, mittiges Luftleitelement aufweisen, das an der Ablenkeinheit angeordnet ist und sich zumindest so weit nach hinten erstreckt, dass es die beiden Rotoren voneinander trennt.
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Die Ausbildung der Ablenkeinheit ermöglicht es, einströmende Winde zu kanalisieren, leistungsmäßig zu beschleunigen und gebündelt auf die Flügel der Rotoren zu leiten. Aufgrund der entgegengesetzten Laufrichtung der Rotoren wird erreicht, dass sich Schwingungen und Emissionen aufheben und ein nahezu geräuschloser Betrieb ermöglicht wird. Schattenwurf und Diskoeffekte sind konzeptionell gering.
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Die Luft strömt bei den hierin beschriebenen Windkraftanlagen gerichtet durch den sich verengenden Einströmungsbereich auf die Flügel der Rotoren. Die Luft durchströmt die Flügel, so dass die kinetische Energie der Luft in mechanische Energie (Rotationsenergie) umgewandelt wird. Jeder der Rotoren ist mit einem Generatorsystem verbunden, welches die mechanische Leistung der Rotoren in elektrische Leistung umwandelt. Das Generatorsystem besteht mindestens aus zwei Generatoren, einer Leistungselektronik und der Regelung und Steuerung des Systems.
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Neben den Rotoren kann jeweils mindestens ein Ablenkelement angeordnet sind. Die seitlich angeordneten Ablenkelemente dienen ebenfalls der Luftzufuhr bzw. Luftablenkung in Richtung zu den Rotoren.
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Die Ablenkelemente können in weiteren Ausführungsformen mindestens einen Kanal mit einer Eintrittsöffnung und einer den Rotoren zugewandten Austrittsöffnung aufweisen, wobei der Querschnitt der Austrittsöffnung kleiner ist als der Querschnitt der Eintrittsöffnung. Über einen solchen Kanal kann an den Ablenkelementen entlang strömende Luft durch eine spezielle Krümmung der Öffnung auf Flügel der Rotoren geführt werden, die nicht direkt einströmender Luft ausgesetzt sind. Hierüber wird ebenso der Wirkungsgrad der Windkraftanlage erhöht. Der mindestens eine Kanal kann so ausgebildet sein, dass dieser einen sich verkleinernden Querschnitt aufweist, sodass eine Beschleunigung des Luftstroms auftritt. Zudem können die Ablenkelemente eine Krümmung aufweisen, die ein Entlangströmen der Luft auch durch den Kanal hindurch in einer bestimmten Ablenkrichtung bewirkt.
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In weiteren Ausführungsformen weist die Ablenkeinheit mindestens zwei um parallel zu den Rotationsachsen der Rotoren verschwenkbar gelagerte Luftleitelemente auf, die im Bereich der Austrittsöffnungen angeordnet sind. In noch weiteren Ausführungsformen können auch im Bereich der frontseitigen Eintrittsöffnungen verschwenkbar gelagerte Luftleitelemente angeordnet sein. Die schwenkbar gelagerten Luftleitelemente ermöglichen die Menge der einströmenden Luft und die Menge der ausströmenden Luft auf die Rotoren zu steuern. Darüber hinaus kann die Geschwindigkeit der ausströmenden Luft beeinflusst werden, wenn die Weite der Kanäle verändert wird. Die Luftleitelemente sind hierzu mit Verstelleinrichtungen und einer Steuereinheit gekoppelt, welche beispielsweise in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit die Luftleitelemente verschwenkt.
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In weiteren Ausführungsformen können neben den Rotoren jeweils zwei Ablenkelemente angeordnet sein, wobei mindestens eines der Ablenkelemente um eine parallel zu den Rotationsachsen der Rotoren verlaufende Achse verschwenkbar ist. Zwischen den beiden Ablenkelementen kann in sämtlichen Stellungen des mindestens einen verschwenkbar gelagerten Ablenkelementes ein Kanal bestehen oder der Kanal kann in Abhängigkeit der Stellung des mindestens einen verschwenkbar gelagerten Ablenkelementes auch vollständig verschlossen werden. Die beiden zu jeder Seite angeordneten Ablenkelemente weisen eine entsprechende Krümmung auf, sodass frontseitig auf die Windkraftanlage auftreffende Luft entlang mindestens eines frontseitig angeordneten Ablenkelementes entlangströmt und über den Kanal einen rückseitigen Bereich der Rotoren zugeführt wird. In Anhängigkeit eines hinteren verschwenkbar gelagerten Ablenkelementes kann dabei die Lufteintritts- und die Luftaustrittsweite des Kanals verändert werden, um die Menge, die Geschwindigkeit und die Richtung der einströmenden sowie der ausströmenden Luft zu verändern. Hierzu können Verstelleinrichtungen und eine damit gekoppelte Steuereinheit vorgesehen sein, die beispielsweise in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit mindestens eines der beiden verschwenkbar gelagerten Ablenkelemente zu jeder Seite verschwenkt, um eine entsprechende Menge an Luft mit einer einstellbaren Geschwindigkeit dem rückseitigen Bereich der Rotoren zuzuführen.
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Mindestens die Luftleitelemente der Ablenkeinheit, der mindestens eine Kanal der Ablenkelemente und/oder die Oberflächen mindestens eines Bereichs der Ablenkelemente können eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Über die gekrümmte Oberfläche kann unter Ausnutzung des Coanda-Effekts eine Ablenkung der Luftströme erreicht werden. Dadurch kann gezielt Luft auf bestimmte Bereiche der Rotoren gebracht werden, sodass beispielsweise frontal auf die Windkraftanlage auftreffende Luft umgelenkt wird, um tangential zu den Rotationsachsen der Rotoren auf die Flügel zu treffen.
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Die Oberfläche der Flügel kann eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweisen. Analog zu einer entsprechenden Oberflächenausbildung bei Golfbällen werden Turbolenzströmungen der Luft verhindert und damit der Wirkungsgrad der Rotoren erhöht.
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Die Oberflächen der Flügel können in weiteren Ausführungsformen Kanäle aufweisen. Die Kanäle vergrößern die Oberfläche der Flügel und erhöhen damit den Wirkungsgrad. Die Kanäle können auch so ausgebildet sein, dass diese ausgehend von einer Innen- oder Außenkante der Flügel abfallend oder ansteigend ausgebildet sind. Auch die Breite der Kanäle kann sich ausgehend von der Außenkante oder der Innenkante vergrößern bzw. verkleinern.
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Die Flügel können an ihrer Außenkante zu ihrer Innenkante hin eine abnehmende Dicke aufweisen und/oder an der Außenkante der Flügel können drehbar gelagerte Zylinder angeordnet sein. Die beispielsweise über Kugellager drehbar gelagerten Zylinder werden durch einströmende Luft in Drehung versetzt. Die Zylinder wirken dabei wie Flettner-Rotoren und erzeugen eine quer zu Anströmung gerichtete Ablenkungskraft. Hierüber wird der Wirkungsgrad der Windkraftanlagen weiter erhöht.
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Die Luftleitelemente können in weiteren Ausführungsformen zwischen einer oberen und einer unteren Leitplatte angeordnet sein und zumindest die untere oder die obere Leitplatte können mindestens eine Öffnung aufweisen, wobei die Öffnung in einen zwischen den Luftleitelementen gebildeten Kanal mündet. Die Öffnung mündet insbesondere in die engste Stelle in dem entsprechenden Kanal. In diesem Abschnitt wird die frontseitig einströmende Luft beschleunigt und über die Öffnung einströmende zusätzliche Luft mitgerissen. Hierdurch ergibt sich eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads der Windkraftanlage.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Steuern einer Windkraftanlage zwei gegenläufig um eine vertikale Rotationsachse drehbaren Rotoren, die jeweils mindestens zwei Flügel aufweisen, und einer in Strömungsrichtung vorgelagerten Ablenkeinheit gelöst, welche die Rotoren jeweils mindestens abschnittsweise verdeckt, wobei die Ablenkeinheit Luftleitelemente aufweist, die beabstandet zueinander angeordnet sind, und wobei zwischen den Luftleitelementen Kanäle mit frontseitigen Eintrittsöffnungen und den Rotoren zugewandten Austrittsöffnungen ausgebildet sind, wobei die Ablenkeinheit mindestens zwei um parallel zu den Rotationsachsen der Rotoren verschwenkbar gelagerte Luftleitelemente aufweist, die im Bereich der Austrittsöffnungen angeordnet sind, wobei über eine Einrichtung in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit die Luftleitelemente verschwenkt werden, um die Austrittsöffnungen der Ablenkeinheit zu öffnen, zu schließen und in Zwischenstellungen mit verschiedenen Öffnungsweiten zu verbringen.
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Das Verfahren ermöglicht die Windkraftanlage bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten derart optimiert zu betreiben, dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Dies wird durch eine Veränderung der Stellung der verschwenkbar gelagerten Luftleitelemente erreicht, sodass über die verschiedenen Öffnungsweiten die Luftgeschwindigkeit und die beförderte Luftmenge auf die Flügel der Rotoren verändert werden können.
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In weiteren Ausführungsformen sind neben den Rotoren jeweils zwei Ablenkelemente angeordnet und mindestens eines der Ablenkelemente ist um eine parallel zu den Rotationsachsen der Rotoren verlaufende Achse verschwenkbar, wobei über die Einrichtung in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit die Ablenkelemente verschwenkt werden, um den Abstand zwischen zwei benachbarten Ablenkelementen und die Luftführung entlang der Ablenkelemente zu verändern. Ein Verschwenken der Ablenkelemente bewirkt eine Veränderung des Abstands zwischen zwei benachbarten Ablenkelementen, sodass ein Kanal gebildet wird oder der Kanal zwischen den Ablenkelementen vergrößert wird. Hierüber kann die Luftmenge, welche auf die rückseitigen Bereiche der Rotoren strömt, verändert werden. Zudem kann durch eine Veränderung der Stellung der Ablenkelemente die Richtung verändert werden, um welche der Luftstrom abgelenkt wird. Da der Luftstrom an einer gekrümmten Oberfläche der Ablenkelemente entsprechend gerichtet auf einem Bereich der Rotoren trifft, kann durch ein Verschwenken der Ablenkelemente auch der angeströmte Bereich verändert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale sowie Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die in den Figuren gezeigten und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung angegebenen Merkmale können Bestandteil jeder der vorstehen beschriebenen Windkraftanlagen und Verfahren sein.
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In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Windkraftanlage einer beispielhaften Ausführungsform;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Windkraftanlage einer weiteren Ausführungsform;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Windkraftanlage einer noch weiteren Ausführungsform;
- 4 eine schematische Explosionszeichnung einer Windkraftanlage einer Ausführungsform;
- 5 schematische Darstellungen von Ablenkelementen einer Windkraftanlage;
- 6 schematische Darstellungen einer Ablenkeinheit einer Windkraftanlage;
- 7a, b verschiedene schematische Darstellungen von Rotoren einer Windkraftanlage;
- 8 eine schematische Schnittdarstellung einer Windkraftanlage einer noch weiteren Ausführungsform; und
- 9a-j schematische Schnittdarstellungen verschiedener Rotoren für eine Windkraftanlage.
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In den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehene Teile entsprechen im Wesentlichen einander, sofern nichts anderes angegeben ist. Im Weiteren wird darauf verzichtet, Bestandteile und Komponenten zu beschreiben, welche nicht wesentlich für das Verständnis der hierin offenbarten technischen Lehre sind.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Windkraftanlage 10 einer beispielhaften Ausführungsform. Die Windkraftanlage 10 weist eine Ablenkeinheit 14, Rotoren 12, Ablenkelemente 16 und 18 und mindestens eine obere Platte 20 und eine untere Platte 22 auf. Zudem weist die Windkraftanlage 10 weitere Komponenten auf, die in 1 nicht dargestellt sind. Die Windkraftanlage 10 ist über eine Ständeranordnung um die Achse A drehbar gelagert. Daher kann die Windkraftanlage 10 bei sich verändernden Windverhältnissen dem Wind folgen, sodass die Vorderseite der Windkraftanlage 10 direkt in den Wind ausgerichtet ist. Zwischen der oberen Platte 20 und der unteren Platte 22 sind zwei Rotoren 12 drehbar gelagert. Die Rotoren 12 sind nebeneinander auf sich drehenden vertikalen Rotorwellen angeordnet. Die Rotoren 12 sind beispielsweise über Kugellager gelagert und mit der Rotorwelle verbunden, die mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Die Rotoren 12 sind so ausgebildet und angeordnet, dass diese bei einströmender Luft sich gegenläufig zueinander drehen. Bei gegenläufigen Rotoren 12 eliminieren sich Vibrationen im Wesentlichen. Dadurch wird ein geräuschreduzierter Betrieb erreicht, was eine Installation der Windkraftanlagen 10 in Wohngebieten ermöglicht.
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Die Rotoren 12 sind an der Platte 20 und der Platte 22 über Aufnahmekugeln oder Axiallager gelagert. Die Rotoren 12 weisen jeweils dreidoppelwandige, halbschalförmige Flügel 34 mit einer konvexen und konkaven Struktur auf. Die Struktur wird durch Kanäle 50 erzeugt (siehe 7).
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Zwischen den Platten 20 und 22 ist eine Ablenkeinheit 14 angeordnet, deren Ausgestaltungsmöglichkeiten in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind. Die Ablenkeinheit 14 weist ein frontseitiges Luftleitelement 26 auf, das unbeweglich ausgebildet ist. Zusätzlich sind Luftleitelemente 28, 30 und 32 angeordnet, die so zueinander und zu dem Luftleitelement 26 angeordnet sind, dass Kanäle dazwischen bestehen. Über Eintrittsöffnungen 58 gelangt ein auftreffender Luftstrom in die zwischen den Luftleitelementen 26, 28 und 30 gebildeten Kanäle. Über Austrittöffnungen im Bereich der Luftleitelemente 32 tritt die über die Eintrittsöffnungen 58 einströmende Luft wieder aus der Ablenkeinheit 14 aus. Die Weite der Austrittsöffnungen wird über die hinteren Luftleitelemente 32 gesteuert, wozu die hinteren Luftleitelemente 32 um parallel zu Rotationsachsen B der Rotoren 12 verlaufende Achsen C drehbar gelagert sind. Durch die Stellung der Luftleitelemente 32 kann eingestellt werden, welche Menge an Luft durch die Ablenkeinheit 14 strömt und welche Geschwindigkeit der austretende Luftstrom hat.
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Zusätzlich können in weiteren Ausführungsformen auch die Luftleitelemente 28 und 30 um parallel zu den Rotationsachen B der Rotoren 12 verlaufende Achsen verschwenkbar sein. Die Stellung der Luftleitelemente 32 bzw. der Luftleitelemente 28 bis 32 kann damit vorgeben, wie viel Luft durch die Ablenkeinheit 14 strömen kann und damit auf Flügel 34 der Rotoren 12 trifft. Die Rotoren 12 weisen mindestens zwei Flügel 34 auf, die vorzugsweise halbschalenartig ausgebildet sind. Die Rotoren 12 sind insbesondere als Savonius-Rotoren ausgebildet, wobei die einzelnen Flügel 34 an ihren Innenkanten nicht miteinander verbunden sind und damit einen Freiraum definieren.
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Die Luftleitelemente 26 bis 32, die zwischen einer oberen Leitplatte 40 und einer unteren Leitplatte 42 angeordnet sind, weisen einen Abstand zueinander auf, sodass auftreffende Luft in die zwischen den Luftleitelementen 26 und 32 gebildeten Kanäle einströmen kann und über entsprechende Austrittsöffnungen austritt und auf die Flügel 34 trifft. Die Ablenkeinheit 14 weist ein Element 48 auf, das sich zwischen den beiden Rotoren 12 erstreckt und innerhalb der Ablenkeinheit 14 so ausgebildet ist, dass eine Luftablenkung von in der Ablenkeinheit 14 einströmender Luft erfolgt. Eine beispielhafte Ausgestaltung des Elementes 48 ist in 2 gezeigt. Die obere Leitplatte 40 weist eine Öffnung 24 auf, über welche zusätzliche Luft einströmen kann und mit dem Luftstrom durch die Ablenkeinheit 14 mitgerissen wird.
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Die Windkraftanlage 10 weist neben den Rotoren 12 seitlich angeordnete Ablenkelemente 16 und 18 auf. Zu jeder Seite ist jeweils ein Ablenkelement 16 und ein Ablenkelement 18 angeordnet, die zwischen einer oberen Leitplatte 44 und einer unteren Leitplatte 46 angeordnet sind. Die Leitplatten 44 und 46 sind mit der Platte 20 bzw. 22 der Windkraftanlage 10 verbunden. Zum einen können die Ablenkelemente 16 und 18 über eine drehbewegliche Lagerung der Leitplatten 44 und 46 gemeinsam mit diesen in Bezug auf die Platten 20 und 22 verschwenkt werden. In weiteren Ausführungsformen sind die Leitplatten 44 und 46 fest mit den Platten 20 und 22 verbunden und nur das hintere Ablenkelement 18 ist drehbar gelagert. In weiteren Ausführungsformen kann zusätzlich das vordere Ablenkelement 18 drehbar gelagert sein. Die Drehachsen der Ablenkelemente 16 und 18 verlaufen parallel zu den Rotationsachsen B der Rotoren 12. Zwischen den Ablenkelementen 16 und 18 besteht ein Luftspalt, sodass an dem vorderen Ablenkelement 16 entlang strömende Luft über eine entsprechende Ausbildung der Eintrittsöffnung 60 auf einen zurückkommenden Flügel 34 der Rotoren 12 geleitet werden kann.
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Der Raum zwischen den Platten 20, 22, den Ablenkelemente 16, 18 und der Ablenkeinheit 14 bildet einen Durchströmungskanal, in dem der Luftstrom massiv beschleunigt wird. Wirksam wird der aerodynamische Vorgang dadurch, dass die drei schaufelartigen Flügel 34 nicht auf einer gemeinsamen Rotorebene ausgerichtet sind. Eine frontale Anströmung der Flügel 34 wird dadurch vermieden.
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Durch die trichterförmige Zuführung der Luftströmung steigt die Strömungsgeschwindigkeit bei sich verengendem Querschnitt an und die Strömungsgeschwindigkeit ist dort am größten, wo der Querschnitt der Zuführung am kleinsten ist. Die zunehmende Querschnittsveränderung verursacht also auf der Einströmseite eine Beschleunigung des Luftstromes. Durch die Kanalisierung der anströmenden Winde kann die Strömungsgeschwindigkeit um das 3,5 fache erhöht werden. Dieses Prinzip ermöglicht eine Leistungserhöhung im Vergleich zu freiumströmenden Windkraftanlagen bei gleichem Rotordurchmesser um das bis zu 2,5-fache.
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Die Oberflächen der Luftleitelemente 26, 28, 30 und 32 sowie der Ablenkelemente 16 und 18 sind so ausgebildet, dass die Oberflächen entlang strömende Luft der Krümmung der Oberflächen unter Ausnutzung des Coanda-Effekts folgt. Das Verstellen der Luftleitelemente 32 und der Ablenkelemente 16 und 18 erfolgt über eine Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente 32 und der Ablenkelemente 16 und 18. Die Einrichtung kann eine der Anzahl der zu verstellenden Luftleitelemente 26 bis 32 und Ablenkelemente 16 und 18 entsprechende Anzahl an Elektromotoren oder anderen Stellantrieben aufweisen. Die Stellantriebe oder Elektromotoren sind mit Lagerzapfen oder Wellen der Ablenkelemente 16 und 18 und der Luftleitelemente 26 bis 32 verbunden, die durch die Achsen C, D und E verlaufen. Über eine Steuereinheit wird der Einrichtung mitgeteilt, in welchem Umfang ein Verschwenken der Luftleitelemente 26 bis 32 und der Ablenkelemente 16 und 18 erforderlich ist. Das Verschwenken wird durch die Steuereinheit in Abhängigkeit messbarer Umweltparameter ermittelt. Messbare Umweltparameter umfassen nicht abschließend die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung.
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Die Luft strömt bei der Windkraftanlage 10 gerichtet durch den sich verengenden Einströmungsbereich auf die Flügel 34 der Rotoren 12. Die Luft durchströmt die Flügel 34, so dass die kinetische Energie der Luft in mechanische Energie (Rotationsenergie) umgewandelt wird. Jeder der Rotoren 12 ist mit einem Generatorsystem (nicht dargestellt) verbunden, welches die mechanische Leistung der Rotoren 12 in elektrische Leistung umwandelt. Das Generatorsystem besteht mindestens aus zwei Generatoren, der Leistungselektronik und der Regelung und Steuerung des Systems. Die Generatoren sind bspw. hängend an den Rotorwellen über Hardyscheiben angeschlossen. Diese Konfiguration verhindert Radialschwingungen.
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Ein Ausrichten der Windkraftanlage 10 kann sowohl über einen Stellantrieb als auch automatisch erfolgen, wobei die Windkraftanlage bspw. eine Fahne aufweist. Über die Fahne wird stets sichergestellt, dass die Ablenkeinheit 14 frontseitig angeströmt wird. Die Fahne kann bspw. ein Leitblech sein, das am hinteren Ende im Bereich des Elements 48 an der Windkraftanlage 10 angeordnet ist.
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Die Ummantelung der Rotoren 12 durch die Platten 20, 22, die Ablenkelemente 16, 18 und die Ablenkeinheit 14 ermöglicht gegenüber freiumströmenden horizontalen und vertikalen Windkraftanlagen eine gerichtete Strömung des Windes auf die Rotoren 12 und ermöglicht, dass 85% des einströmenden Windes auf die Flügel 34 gelangt. Bei frei umströmten Anlagen gelangt lediglich 15% des einströmenden Windes auf die Flügel der Rotoren.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Windkraftanlage 10 in einer weiteren Ausführungsform. Bei der in 2 gezeigten Windkraftanlage 10 sind lediglich die Luftleitelemente 32 um Achsen C verschwenkbar gelagert. Zusätzlich sind die Ablenkelemente 16 um Achsen E und die Ablenkelemente 18 um Achsen D schwenkbar gelagert. In 2 sind zwei verschiedene Rotoren 12 dargestellt, wobei der eine Rotor 12 vier Flügel 34 und der andere Rotor 12 fünf Flügel aufweist. In der Regel weisen jedoch die Rotoren 12 eine gleiche Anzahl an Flügeln 34 auf.
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Aus 2 ist insbesondere die Ausbildung der Ablenkeinheit 14 ersichtlich. Das frontseitige Luftleitelement 26 teilt einen frontal auftreffenden Luftstrom (in Zeichnungsrichtung von unten) in Richtung zu den beiden Rotoren 12. Auftreffende Luft strömt durch die zwischen den Luftleitelementen 26 und 28 sowie 28 und 30 gebildeten Kanäle und wird über die Ausbildung des Kanals, die Ausbildung des Elementes 48 sowie die Ausbildung und Anordnung der Luftleitelemente 32 umgelenkt. Hierdurch ist es möglich, frontseitig einströmende Luft durch eine Verjüngung der Kanäle zu beschleunigen und durch die gekrümmte Ausbildung der Luftleitelementen 32 sowie des Elementes 48 so abzulenken, dass die Luft tangential zu den Rotationsachsen B der Rotoren 12 strömt. Darüber hinaus ist es möglich, frontseitig auftreffende Luft auch hinter zurückkommende Flügel 34 zu leiten. Bei der Ausgestaltung der Ablenkeinheit 14 kann in Abhängigkeit der Stellung der Luftleitelemente 32 die Menge und die Geschwindigkeit der ausströmenden Luft verändert werden. Hierzu sind die Luftleitelemente 32 mit einer Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente 32 verbunden, die über eine Steuereinheit betätigt wird. Die Steuereinheit ist beispielsweise mit einer Messeinrichtung zur Erfassung der Luftgeschwindigkeit gekoppelt. Hierdurch kann in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit die optimale Stellung der Luftleitelemente 32 ermittelt und ein Verstellen in die optimale Stellung erreicht werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Windkraftanlage 10 erhöht.
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Über die verschwenkbar gelagerten Ablenkelemente 16 und 18 können die bei konventionellen Windkraftanlagen nicht nutzbare Luftströme gezielt auf Flügel 34 geleitet werden, die sich auf der windabgewandten Seite der Windkraftanlage 10 befinden. Durch die gekrümmte Ausbildung der Ablenkelemente 16 folgt ein entlang der Ablenkelemente 16 strömender Luftstrom der Krümmung und wird auf die strömungsabseitig gelegenen Flügel 34 geleitet. Zusätzlich bewirkt die Ausbildung und Stellung der Ablenkelemente 18 eine Luftzufuhr auf die strömungsabseitig gelegenen Flügel 34.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Windkraftanlage 10 einer noch weiteren Ausführungsform. Die in 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorstehend gezeigten Ausführungsformen unter anderem dadurch, dass die Rotoren 12 jeweils drei Flügel 34 aufweisen, die sich ausgehend von ihrer Innenkante zu ihrer Außenkante vergrößern und an deren Außenkante drehbar gelagerte Zylinder 36 angeordnet sind. Die Zylinder 36 dienen dabei als Flettner-Rotoren und erzeugen durch die Rotation aufgrund der auftreffenden Luft eine Kraft quer zur Windrichtung. Dies unterstützt die Rotation der Rotoren 12, sodass der Wirkungsgrad der gesamten Windkraftanlage 10 erhöht wird.
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In den Kanal 15 zwischen den Luftleitelementen 26, 28, 30 und 32 sowie dem Element mündet eine Öffnung, die analog zu der Öffnung 24 (1) ausgebildet ist. Über diese Öffnung kann Luft von außerhalb der ummantelten Windkraftanlage 10 einströmen und wird über den von vorne auf die Ablenkeinrichtung 14 treffenden Luftstrom mitgerissen. Dieser Luftstrom trifft auf die gewölbte Fläche des Elements 48 von wird zu den Luftleitelementen 32 hin abgelenkt. Über die Luftleitelemente 32 und die Ausbildung der Oberfläche des Elements 48 erfolgt eine gezielte Ablenkung des Luftstroms, der unter Ausnutzung des Coanda-Effekts dem Verlauf der Oberfläche folgt. Hierdurch wird ein Luftstrom tangential zu den Rotationsachsen B der Rotoren 12 eingebracht, der insbesondere hinter zurückkommende Flügel 34 geleitet wird.
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4 zeigt eine schematische Explosionszeichnung einer Windkraftanlage 10 einer beispielhaften Ausführungsform. In 4 sind Komponenten wie Kugellager, Generatoren, Steuereinrichtungen, Antriebe und weitere nicht dargestellt. Die in 4 gezeigte Darstellung umfasst die Platten 20 und 22, die Leitplatten 40 bis 46, die Ablenkelemente 16 und 18 sowie die Ablenkeinheit 14 und die Rotoren 12. Zusätzlich ist eine Zusammengesetzte Windkraftanlage 10 gezeigt.
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5 zeigt eine schematische Darstellung von Ablenkelementen 16 und 18 einer Windkraftanlage 10. Auf der linken Seite von 5 sind zwei Ablenkelemente 16 und 18 mit ihren Leitplatten 44 und 46 dargestellt. Rechts davon ist die Darstellung ohne Leitplatten 44 und 46 gezeigt, wobei ersichtlich ist, dass auch bei einer nicht drehbar gelagerten Ausgestaltung der Ablenkelemente 16 und 18 eine gezielte Luftablenkung aufgrund der Ausnutzung des Coanda-Effekts über das Ablenkelement 16 erreicht werden kann. Zudem ist die Eintrittsöffnung 60 zwischen den Ablenkelementen 16 und 18 größer als die Austrittsöffnung, sodass eine Beschleunigung des durchströmenden Luftstroms erreicht wird. Die Außenflächen der Ablenkelemente 16 und 18 können als Werbefläche oder zur Anbringung von Solarpanelen zur zusätzlichen Stromerzeugung genutzt werden.
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6 zeigt schematische Darstellungen einer Ablenkeinheit 14 einer Windkraftanlage 10. Die Beschleunigung der Luft, welche durch die Ablenkeinheit 14 strömt, hängt insbesondere von dem Abstand der Luftleitelemente 26, 28 und 30 zueinander und den dadurch gebildeten Eintrittsöffnungen 58 sowie der Weite der Kanäle ab. Darüber hinaus ist entscheidend, wie groß die Weite der Austrittsöffnungen im Bereich der Luftleitelemente 32 ist. Dabei spielt der Querschnitt der Luftleitelemente 32 und deren Verstellbarkeit eine entscheidende Rolle zur Beeinflussung der Luftgeschwindigkeit der ausströmenden Luft sowie der Luftmenge.
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7a, b zeigen verschieden schematische Darstellungen von Rotoren 12 einer Windkraftanlage 10. 7a zeigt eine perspektivische Darstellung eines Rotors 12 mit nur zwei Flügeln 34. Ein dritter Flügel 34 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit und zur besseren Darstellung der anderen beiden Flügel 34 nicht dargestellt. Die Flügel 34 sind so an einer Rotorplatte 38 angeordnet, dass die Innenkanten der Flügel 34 beabstandet zueinander sind. Hierdurch wird ein Freiraum zwischen den Innenkanten der Flügel 34 gebildet, wie bei Savonius-Rotoren üblich. Die Flügel 34 weisen zudem Kanäle 50 auf. Die Kanäle 50 vergrößern die Oberfläche der Flügel 34.
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7b zeigt die Darstellung eines einzelnen Flügels 34 eines Rotors 12. In 7b ist die Ausbildung der Kanäle 50 gezeigt. Die Kanäle 50 können ansteigend und abfallend ausgebildet sein, sodass eine entsprechende Strömung der eintreffenden Luft erreicht wird. Die Kanäle 50 können sich über die komplette Oberfläche der Flügel 34 erstrecken. Die spezielle Ausbildung der Kanäle verhindert, dass Verwirbelungen entstehen und erhöht damit den Wirkungsgrad der Windkraftanlage 10.
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Die Innenseiten der Flügel sind mit Kanälen 50 ausgestattet, hierdurch erhöht sich auf den Flügeln die Strömungsgeschwindigkeit um das 3,5 fache ähnlich einem Trichter (Kanalisierungseffekt) .
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Die Flügel 34 mit je drei schaufelartigen rechts- und linksdrehenden Außenflügeln sind mit einem konvex/konkaven Wellenprofil konstruiert, wodurch die Flügelfläche vergrößert wird. Die Ober- und Unterseite des Rotors sind so verändert worden, dass eine höhere Effizienz erreichbar wird. Die Oberseite der Rotorflügel ist durch vertikale, konkave Einschnitte so verändert, dass die Oberfläche insgesamt vergrößert worden ist. Die Unterseite ist durch konvexe Einschnitte verändert worden. Beide Veränderungen erhöhen den Auftrieb und somit die Effizienz um 30%.
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In weiteren Ausführungsformen weisen die Flügel 34 an ihren Außenkanten ein höheres Gewicht auf als an ihren Innenkanten.
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Dies kann einerseits durch eine zunehmende Dicke von der Innenkante zur Außenkante der Flügel 34 oder durch das Anbringen von zusätzlichen Gewichten erreicht werden. Diese Modifikationen können bei allen hierin beschriebenen Varianten vorgesehen sein. Die Rotoren 12 können am Ende der Peripherie eine Vielzahl von N-Magneten aufweisen. Durch das Gewicht entsteht eine Schwungmasse (vergleichbar dem Prinzip eines Kreisels).
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8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Windkraftanlage 10 einer noch weiteren Ausführungsform. Bei dieser Windkraftanlage können die Ablenkelemente 16 und 18 sowie die Luftleitelemente 32 um parallel zur Rotationsachse B der Rotoren 12 verlaufende Achsen verschwenkt werden, um die Luftzufuhr in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit entsprechend zu steuern. Die in 8 gezeigte Windkraftanlage 10 weist zwei unterschiedliche Rotoren 12 auf, wobei der linke Rotor 12 vier Flügel 34 und der rechte Rotor 12 sechs Flügel 34 aufweist.
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Die 9a-j zeigen schematische Schnittdarstellungen verschiedener Rotoren 12 für eine Windkraftanlage 10.
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Der in 9a gezeigte Rotor 12 weist drei Flügel 34 auf, an welchen jeweils Flügelansätze 52 angeordnet sind. Die Flügelansätze 52 dienen als Segel und unterstützen die Rotation des Rotors 12.
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9b zeigt einen Rotor 12 mit drei Flügeln 34, die ausgehend von ihrer Innenkante eine zunehmende Dicke aufweisen.
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9c zeigt einen Rotor 12 mit drei Flügeln 34, bei welchen der Abstand der Innenkanten der Flügel 34 größer ist als bei dem in 9b gezeigten Rotor 12.
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9d zeigt einen Rotor 12 mit nur zwei Flügeln 34.
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9e zeigt einen Rotor 12 mit drei Flügeln 34, die einen Freiraum 54 umgeben. In weiteren Ausführungsformen ist die in 9e gezeigte Ausbildung des Rotors 12 invertiert, wobei der Querschnitt der Rotors 12 ein Negativ des in 9e gezeigten Rotors 12 ist. Dabei werden die Flügel 34 an ihren Innenkanten fest mit einem zylindrischen Block des Rotors 12 verbunden, welcher in der Mitte angeordnet ist.
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9f zeigt einen Rotor 12 mit drei miteinander verbundenen Flügeln 34, die ausgehend von ihrer Außenkante eine zunehmende Dicke aufweisen. Zusätzlich sind Zylinder 36 angeordnet, die als Flettner-Rotor dienen und durch Anströmen von Luft in Rotation versetzt werden und eine Kraft quer zur Anströmrichtung erzeugen.
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9g zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Rotors 12 mit fünf Flügeln 34.
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9h zeigt eine weitere Ausführungsform eines Rotors 12 mit einer Vielzahl von Flügeln 34 und zusätzlichen Flügeln 56, die um die mittlere Drehachse bzw. Rotationsachse B des Rotors 12 angeordnet sind.
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9i zeigt eine weitere Ausführungsform eines Rotors 12 mit sechs Flügeln 34, die analog zu den in 9g gezeigten Flügeln 34 einen geschwungenen Querschnitt aufweisen.
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9j zeigt einen Rotor 12 mit einer Anordnung der Flügel 34 wie für 9h gezeigt, jedoch ohne Flügel 56.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Windkraftanlage
- 12
- Rotor
- 14
- Ablenkeinheit
- 15
- Kanal
- 16
- Ablenkelement
- 18
- Ablenkelement
- 20
- Platte
- 22
- Platte
- 24
- Öffnung
- 26
- Luftleitelement
- 28
- Luftleitelement
- 30
- Luftleitelement
- 32
- Luftleitelement
- 34
- Flügel
- 36
- Zylinder
- 38
- Rotorplatte
- 40
- Leitplatte
- 42
- Leitplatte
- 44
- Leitplatte
- 46
- Leitplatte
- 48
- Element
- 50
- Kanal
- 52
- Flügelansatz
- 54
- Freiraum
- 56
- Flügel
- 58
- Eintrittsöffnung
- 60
- Eintrittsöffnung
- A
- Achse
- B
- Rotationsachse
- C
- Achse
- D
- Achse
- E
- Achse
