DE102016105411A1

DE102016105411A1 - Ablenkeinrichtung für eine Windkraftanlage und Verfahren zum Steuern einer Ablenkeinrichtung

Info

Publication number: DE102016105411A1
Application number: DE102016105411.9A
Authority: DE
Inventors: Jochen Friese
Original assignee: Twe - Tandem Wind Energy GmbH
Current assignee: Twe - Tandem Wind Energy GmbH
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28

Abstract

Es werden eine Ablenkeinrichtung (14) für eine Windkraftanlage (10) und ein Verfahren zum Steuern einer Ablenkeinrichtung (14) für eine Windkraftanlage (10) mit mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Luftleitelementen (16, 18; 26, 28, 30, 32) beschrieben. Mindestens eines der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) ist verschwenkbar gelagert und mit einer Einrichtung zum Verschwenken des Luftleitelements (16, 18; 26, 28, 30, 32) gekoppelt. Die Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) weisen eine gekrümmte Oberfläche auf und sind so zueinander angeordnet, dass zwischen einander gegenüberliegenden Seiten der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) ein Abstand besteht, wobei der Abstand zwischen den Luftleitelementen (16, 18; 26, 28, 30, 32) durch Verschwenken des mindestens einen Luftleitelements (16, 18; 26, 28, 30, 32) verändert wird.

Description

Es werden eine Ablenkeinrichtung für eine Windkraftanlage und ein Verfahren zum Steuern einer Ablenkeinrichtung beschrieben. Ablenkeinrichtungen werden bei Windkraftanlagen, insbesondere Windkraftanlagen mit vertikal drehbaren Rotoren, dazu verwendet, um die auftreffende Luft zu kanalisieren und bestimmten Bereichen der Rotoren zuzuführen.
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.
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%.
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.
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 Ablenkeinrichtung 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.
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 geräuschund emissionsfrei.
Die Rotoren solcher Windkraftanlagen weisen in der Regel mindestens zwei Flügel auf. Solche als VAWT bezeichneten Windkraftanlagen können neben Savonius- auch Darrieus-Rotoren aufweisen.
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.
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.
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.
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.
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.
Horizontale 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 Ablenkeinrichtungen, einströmende Luft auf einen zurückkommenden Flügel treffen kann, wodurch der Wirkungsgrad wieder reduziert wird.
Probleme hinsichtlich der bekannten Ablenkeinrichtungen aus dem Stand der Technik bestehen insbesondere in der begrenzten Ablenkmöglichkeit auftreffender Luftströme. Zwar ist es möglich, die auftreffende Luft in eine bestimmte Richtung und damit einem bestimmten Bereich der Rotoren zuzuführen, jedoch ist es nicht möglich, bspw. Luft hinter zurückkommende Flügel eines Rotors zu leiten.
Es ist daher Aufgabe, eine Ablenkeinrichtung für eine Windkraftanlage und ein Verfahren zum Steuern einer Ablenkeinrichtung anzugeben, welche die Luftzufuhr und Luftablenkung verbessern und damit einen höheren Wirkungsgrad bei Windkraftanlagen ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch eine Ablenkeinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen technischen Merkmalen und durch ein Verfahren zum Steuern einer Ablenkeinrichtung mit den in Anspruch 7 angegebenen technischen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen im Detail angegeben.
Eine die vorstehende Aufgabe lösende Ablenkeinrichtung für eine Windkraftanlage weist mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Luftleitelemente auf, wobei mindestens eines der Luftleitelemente verschwenkbar gelagert und mit einer Einrichtung zum Verschwenken des Luftleitelements gekoppelt ist. Die Luftleitelemente weisen eine gekrümmte Oberfläche auf und sind so zueinander angeordnet, dass zwischen einander gegenüberliegenden Seiten der Luftleitelemente ein Abstand besteht, wobei der Abstand zwischen den Luftleitelementen durch Verschwenken des mindestens einen Luftleitelements veränderbar ist.
Die Anordnung der Luftleitelemente mit einem Abstand zueinander stellt mindestens einen Kanal in der Ablenkeinrichtung bereit, durch welchen auftreffende Luft hindurchströmen kann. Durch die Ausbildung von Kanälen in der Ablenkeinrichtung wird die Luftzufuhr zu Flügeln von 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 Rotoren erfolgt. Weist die Ablenkeinrichtung, wie gemäß der hierin beschriebenen technischen Lehre vorgesehen, Kanäle auf, so strömt die Luft nicht nur entlang der Oberfläche der Ablenkeinrichtung entlang, sondern durchströmt auch die Ablenkeinrichtung, 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.
Die Ausbildung der Ablenkeinrichtung ermöglicht es, einströmende Winde zu kanalisieren, leistungsmäßig zu beschleunigen und gebündelt auf die Flügel von Rotoren einer Windkraftanlage zu leiten.
Über die gekrümmte Oberfläche kann unter Ausnutzung des Coanda-Effekts eine Ablenkung der Luftströme erreicht werden. Dadurch kann gezielt Luft auf bestimmte Bereiche von Rotoren von Windkraftanlagen gebracht werden, sodass beispielsweise frontal auf Windkraftanlagen auftreffende Luft umgelenkt wird, um tangential zu Rotationsachsen der Rotoren auf die Flügel der Rotoren zu treffen.
Die Kanäle der Ablenkeinrichtung Kanal können eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung aufweisen, wobei der Querschnitt der Austrittsöffnung kleiner ist als der Querschnitt der Eintrittsöffnung. Über einen solchen Kanal kann an den Luftleitelementen entlang strömende Luft durch eine spezielle Krümmung der Öffnung auf Flügel der Rotoren geführt werden, die nicht direkt einströmender Luft ausgesetzt sind. Hierüber kann der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage erhöht werden. Der mindestens eine Kanal kann so ausgebildet sein, dass dieser einen sich verkleinernden Querschnitt aufweist, sodass eine Beschleunigung des Luftstroms auftritt. Zudem bewirkt die Krümmung der Luftleitelemente ein Entlangströmen der Luft durch den Kanal hindurch in einer bestimmten Ablenkrichtung.
Die Ablenkeinrichtung kann ein erstes mittig angeordnetes Luftleitelement, welches in Strömungsrichtung frontseitig angeordnet ist, mindestens zwei zweite Luftleitelemente, die in Strömungsrichtung nach hinten versetzt und beabstandet zu dem ersten Luftleitelement angeordnet sind, und mindestens zwei dritte Luftleitelemente aufweisen, die in Strömungsrichtung hinter und beabstandet zu den zweiten Luftleitelementen angeordnet sind, wobei mindestens die dritten Luftleitelemente verschwenkbar sind und die Ablenkeinrichtung mindestens einen Kanal aufweist, der sich zwischen den Luftleitelementen erstreckt. Ein mittig angeordnetes Luftleitelement ermöglicht die Aufteilung eines auftreffenden Luftstroms, bspw. zu zwei Rotoren einer Windkraftanlage. Die Ablenkeinrichtung kann ferner ein rückseitiges, mittiges Luftleitelement aufweisen, das an der Ablenkeinrichtung angeordnet ist und sich zumindest so weit nach hinten erstreckt, dass es zwei nebeneinander angeordnete Rotoren einer Windkraftanlage voneinander trennt.
Die Ablenkeinrichtung kann eine ausgehend vom ersten Luftleitelement zunehmende Breite aufweisen, und die dritten Luftleitelemente können in dem Bereich der Ablenkeinrichtung angeordnet sein, welcher die größte Breite aufweist.
Die Ablenkeinrichtung kann in weiteren Ausführungsformen ausgehend von dem Bereich mit der größten Breite nach hinten hin eine abnehmende Breite mit gegenüberliegenden konkaven Einschnitten aufweisen.
In noch weiteren Ausführungen können die Luftleitelemente zwischen einer oberen und einer unteren Leitplatte angeordnet sein und mindestens eine der Leitplatten kann mindestens eine Öffnung aufweisen, die in einen zwischen den Luftleitelementen gebildeten Kanal mündet. 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.
Darüber hinaus kann die Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente mit einer Steuereinheit gekoppelt sein.
Die Ablenkeinrichtung weist in weiteren Ausführungsformen mindestens zwei um parallel zu Rotationsachsen der Rotoren von Windkraftanlagen verschwenkbar gelagerte Luftleitelemente auf, die im Bereich von 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 zu steuern. Darüber hinaus kann die Geschwindigkeit der ausströmenden Luft beeinflusst werden, wenn die Weite der Kanäle verändert wird. Die Luftleitelemente sind hierzu mit der Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente und einer Steuereinheit gekoppelt, welche beispielsweise in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit die Luftleitelemente verschwenkt.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Steuern einer Ablenkeinrichtung für eine Windkraftanlage gelöst, wobei die Ablenkeinrichtung mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Luftleitelemente aufweist und mindestens eines der Luftleitelemente verschwenkbar gelagert und mit einer Einrichtung zum Verschwenken des Luftleitelements gekoppelt ist. Die Luftleitelemente weisen eine gekrümmte Oberfläche auf und sind so zueinander angeordnet, dass zwischen einander gegenüberliegenden Seiten der Luftleitelemente ein Abstand besteht, wobei der Abstand zwischen den Luftleitelementen durch Verschwenken des mindestens einen Luftleitelements verändert wird.
Über die Einrichtung werden in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit die Luftleitelemente verschwenkt, um den Abstand zwischen zwei benachbarten Luftleitelementen und die Luftführung entlang der Luftleitelemente zu verändern. Ein Verschwenken der Luftleitelemente bewirkt eine Veränderung des Abstands zwischen zwei benachbarten Luftleitelementen, sodass ein Kanal gebildet wird oder der Kanal zwischen den Luftleitelementen vergrößert wird. Hierüber kann die Luftmenge, welche bspw. auf rückseitige Bereiche der Rotoren von Windkraftanlagen strömt, verändert werden. Zudem kann durch eine Veränderung der Stellung der Luftleitelemente die Richtung verändert werden, um welche der Luftstrom abgelenkt wird. Da der Luftstrom an einer gekrümmten Oberfläche der Luftleitelemente entsprechend gerichtet auf einem Bereich der Rotoren trifft, kann durch ein Verschwenken der Luftleitelemente auch der angeströmte Bereich verändert werden.
In weiteren Ausführungen kann die Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente mit einer Steuereinheit gekoppelt sein, welche in Abhängigkeit von messbaren Umweltparametern ein Verschwenken der Luftleitelemente über die Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente veranlasst.
Das Verfahren zur Steuerung der Ablenkeinrichtungen ermöglicht es bspw. 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.
Die hierin beschriebenen Ablenkeinrichtungen können entweder als mittige Ablenkeinrichtungen für Windkraftanlagen mit zwei vorzugsweise gegenläufig drehenden Rotoren oder als Ablenkeinrichtungen neben Rotoren einer Windkraftanlage ausgebildet sein. Windkraftanlage mit bspw. zwei Rotoren kann demgemäß drei Ablenkeinrichtungen aufweisen. Eine mittige Ablenkeinrichtung mit einer Vielzahl an Luftleitelementen und zwei weitere Ablenkeinrichtungen, die seitlich neben den Rotoren angeordnet sind und zwei Luftleitelemente aufweisen.
Zwischen den beiden Luftleitelementen der weiteren Ablenkeinrichtungen kann in sämtlichen Stellungen des mindestens einen verschwenkbar gelagerten Luftleitelementes ein Kanal bestehen oder der Kanal kann in Abhängigkeit der Stellung des mindestens einen verschwenkbar gelagerten Luftleitelementes auch vollständig verschlossen werden. Die beiden zu jeder Seite angeordneten Luftleitelemente weisen eine entsprechende Krümmung auf, sodass frontseitig auf eine Windkraftanlage und die Ablenkeinrichtung auftreffende Luft entlang mindestens eines frontseitig angeordneten Luftleitelementes entlangströmt und über den Kanal einen rückseitigen Bereich der Rotoren zugeführt wird. In Anhängigkeit eines hinteren verschwenkbar gelagerten Luftleitelementes 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 sind die Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente und eine damit gekoppelte Steuereinheit vorgesehen, die beispielsweise in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit mindestens eines der beiden verschwenkbar gelagerten Luftleitelemente zu jeder Seite verschwenkt, um eine entsprechende Menge an Luft mit einer einstellbaren Geschwindigkeit dem rückseitigen Bereich der Rotoren zuzuführen.
Durch die Anordnung der Ablenkeinrichtungen strömt Luft bei 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.
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 Ablenkeinrichtungen und Verfahren sein.
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung einer Windkraftanlage mit einer Ablenkeinrichtung einer beispielhaften Ausführungsform;
2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Windkraftanlage mit einer Ablenkeinrichtung in einer weiteren Ausführungsform;
3 schematische Darstellungen von Luftleitelementen einer Ablenkeinrichtung einer Windkraftanlage; und
4 weitere schematische Darstellungen einer Ablenkeinrichtung.
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.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Windkraftanlage 10 mit einer Ablenkeinrichtung 14 und weiteren Ablenkeinrichtungen in einer beispielhaften Ausführungsform.
Die Windkraftanlage 10 weist eine Ablenkeinrichtung 14, Rotoren 12, weitere Ablenkeinrichtungen mit Luftleitelementen 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.
Die Rotoren 12 sind an der Platte 20 und der Platte 22 über Aufnahmekugeln oder Axiallager gelagert. Die Rotoren 12 weisen jeweils drei doppelwandige, halbschalförmige Flügel 34 mit einer konvexen und konkaven Struktur auf. Die Struktur kann durch Kanäle gebildet werden.
Zwischen den Platten 20 und 22 ist die Ablenkeinrichtung 14 angeordnet, deren Ausgestaltungsmöglichkeiten in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind. Die Ablenkeinrichtung 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 50 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 50 einströmende Luft wieder aus der Ablenkeinrichtung 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 Ablenkeinrichtung 14 strömt und welche Geschwindigkeit der austretende Luftstrom hat.
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 Ablenkeinrichtung 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.
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 Ablenkeinrichtung 14 weist ferner ein Element 48 auf, das sich zwischen den beiden Rotoren 12 erstreckt und innerhalb der Ablenkeinrichtung 14 so ausgebildet ist, dass eine Luftablenkung von in der Ablenkeinrichtung 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 Ablenkeinrichtung 14 mitgerissen wird.
Die Windkraftanlage 10 weist neben den Rotoren 12 weitere Ablenkeinrichtungen mit seitlich angeordneten Luftleitelementen 16 und 18 auf. Zu jeder Seite sind jeweils ein Luftleitelement 16 und ein Luftleitelement 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 Luftleitelemente 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 Luftleitelement 18 ist drehbar gelagert. In weiteren Ausführungsformen kann zusätzlich das vordere Luftleitelement 18 drehbar gelagert sein. Die Drehachsen der Luftleitelemente 16 und 18 verlaufen parallel zu den Rotationsachsen B der Rotoren 12. Zwischen den Luftleitelementen 16 und 18 besteht ein Luftspalt, sodass an dem vorderen Luftleitelement 16 entlang strömende Luft über eine entsprechende Ausbildung der Eintrittsöffnung 52 auf einen zurückkommenden Flügel 34 der Rotoren 12 geleitet werden kann.
Der Raum zwischen den Platten 20, 22, den Luftleitelemente 16, 18 und der Ablenkeinrichtung 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.
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.
Die Oberflächen der Luftleitelemente 26, 28, 30 und 32 sowie der Luftleitelemente 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 Luftleitelemente 16 und 18 erfolgt über eine Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente 32 und der Luftleitelemente 16 und 18. Die Einrichtung kann eine der Anzahl der zu verstellenden Luftleitelemente 26 bis 32 und Luftleitelemente 16 und 18 entsprechende Anzahl an Elektromotoren oder anderen Stellantrieben aufweisen. Die Stellantriebe oder Elektromotoren sind mit Lagerzapfen oder Wellen der Luftleitelemente 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 Luftleitelemente 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.
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.
Ein Ausrichten der Windkraftanlage 10 kann sowohl über einen Stellantrieb als auch automatisch erfolgen, wobei die Windkraftanlage 10 bspw. eine Fahne aufweist. Über die Fahne wird stets sichergestellt, dass die Ablenkeinrichtung 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.
Die Ummantelung der Rotoren 12 durch die Platten 20, 22, die Luftleitelemente 16, 18 und die Ablenkeinrichtung 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.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Windkraftanlage 10 mit einer Ablenkeinrichtung 14 und weiteren Ablenkeinrichtungen in einer weiteren Ausführungsform. Bei der in 2 gezeigten Windkraftanlage 10 sind die Luftleitelemente 32 um Achsen C verschwenkbar gelagert. Zusätzlich sind die Luftleitelemente 16 um Achsen E und die Luftleitelemente 18 um Achsen D schwenkbar gelagert. Die Luftleitelemente 16 und 18 sind Bestandteil weiterer Ablenkeinrichtungen. 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.
Aus 2 ist insbesondere die Ausbildung der Ablenkeinrichtung 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 Ablenkeinrichtung 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.
Über die verschwenkbar gelagerten Luftleitelemente 16 und 18 von weiteren Ablenkeinrichtungen können die bei konventionellen Windkraftanlagen nicht nutzbaren Luftströme gezielt auf Flügel 34 geleitet werden, die sich auf der windabgewandten Seite der Windkraftanlage 10 befinden. Durch die gekrümmte Ausbildung der Luftleitelemente 16 folgt ein entlang der Luftleitelemente 16 strömender Luftstrom der Krümmung und wird auf die strömungsabseitig gelegenen Flügel 34 geleitet. Zusätzlich bewirkt die Ausbildung und Stellung der Luftleitelemente 18 eine Luftzufuhr auf die strömungsabseitig gelegenen Flügel 34.
3 zeigt eine schematische Darstellung von Luftleitelementen 16 und 18 einer Ablenkeinrichtung einer Windkraftanlage 10. Auf der linken Seite von 5 sind zwei Luftleitelemente 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 Luftleitelemente 16 und 18 eine gezielte Luftablenkung aufgrund der Ausnutzung des Coanda-Effekts über das Luftleitelement 16 erreicht werden kann. Zudem ist die Eintrittsöffnung 52 zwischen den Luftleitelementen 16 und 18 größer als die Austrittsöffnung, sodass eine Beschleunigung des durchströmenden Luftstroms erreicht wird. Die Außenflächen der Luftleitelemente 16 und 18 können als Werbefläche oder zur Anbringung von Solarpanelen zur zusätzlichen Stromerzeugung genutzt werden.
4 zeigt schematische Darstellungen einer Ablenkeinrichtung 14 einer Windkraftanlage 10. Die Beschleunigung der Luft, welche durch die Ablenkeinrichtung 14 strömt, hängt insbesondere von dem Abstand der Luftleitelemente 26, 28 und 30 zueinander und den dadurch gebildeten Eintrittsöffnungen 50 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.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Rotor
14: Ablenkeinrichtung
16: Luftleitelement
18: Luftleitelement
20: Platte
22: Platte
24: Öffnung
26: Luftleitelement
28: Luftleitelement
30: Luftleitelement
32: Luftleitelement
34: Flügel
40: Leitplatte
42: Leitplatte
44: Leitplatte
46: Leitplatte
48: Element
50: Eintrittsöffnung
52: Eintrittsöffnung
A: Achse
B: Rotationsachse
C: Achse
D: Achse
E: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2496277 A [0009, 0012]
FR 2509384 A1 [0009, 0011]
DE 10331682 A1 [0009, 0010]

Claims

Ablenkeinrichtung für eine Windkraftanlage (10) mit mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Luftleitelementen (16, 18; 26, 28, 30, 32), wobei mindestens eines der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) verschwenkbar gelagert und mit einer Einrichtung zum Verschwenken des Luftleitelements (16, 18; 26, 28, 30, 32) gekoppelt ist, wobei die Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) eine gekrümmte Oberfläche aufweisen und so zueinander angeordnet sind, dass zwischen einander gegenüberliegenden Seiten der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) ein Abstand besteht, wobei der Abstand zwischen den Luftleitelementen (16, 18; 26, 28, 30, 32) durch Verschwenken des mindestens einen Luftleitelements (16, 18; 26, 28, 30, 32) veränderbar ist.
Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ablenkeinrichtung (14) ein erstes mittig angeordnetes Luftleitelement (26), welches in Strömungsrichtung frontseitig angeordnet ist, mindestens zwei zweite Luftleitelemente (28; 30), die in Strömungsrichtung nach hinten versetzt und beabstandet zu dem ersten Luftleitelement (26) angeordnet sind, und mindestens zwei dritte Luftleitelemente (32) aufweist, die in Strömungsrichtung hinter und beabstandet zu den zweiten Luftleitelementen (28; 30) angeordnet sind, wobei mindestens die dritten Luftleitelemente (32) verschwenkbar sind und die Ablenkeinrichtung (14) mindestens einen Kanal aufweist, der sich zwischen den Luftleitelementen (26, 28, 30, 32) erstreckt.
Ablenkeinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ablenkeinrichtung (14) eine ausgehend vom ersten Luftleitelement (26) zunehmende Breite aufweist, und die dritten Luftleitelemente (32) in dem Bereich der Ablenkeinrichtung (14) angeordnet sind, welcher die größte Breite aufweist.
Ablenkeinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ablenkeinrichtung (14) ausgehend von dem Bereich mit der größten Breite nach hinten hin eine abnehmende Breite mit gegenüberliegenden konkaven Einschnitten aufweist.
Ablenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) zwischen einer oberen und einer unteren Leitplatte (40, 42; 44, 46) angeordnet sind und mindestens eine der Leitplatten (40, 42; 44, 46) mindestens eine Öffnung aufweist (24), die in einen zwischen den Luftleitelementen (16, 18; 26, 28, 30, 32) gebildeten Kanal mündet.
Ablenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) mit einer Steuereinheit gekoppelt ist.
Verfahren zum Steuern einer Ablenkeinrichtung (14) für eine Windkraftanlage (10) mit mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Luftleitelementen (16, 18; 26, 28, 30, 32), wobei mindestens eines der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) verschwenkbar gelagert und mit einer Einrichtung zum Verschwenken des Luftleitelements (16, 18; 26, 28, 30, 32) gekoppelt ist, wobei die Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) eine gekrümmte Oberfläche aufweisen und so zueinander angeordnet sind, dass zwischen einander gegenüberliegenden Seiten der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) ein Abstand besteht, wobei der Abstand zwischen den Luftleitelementen (16, 18; 26, 28, 30, 32) durch Verschwenken des mindestens einen Luftleitelements (16, 18; 26, 28, 30, 32) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) mit einer Steuereinheit gekoppelt ist, welche in Abhängigkeit von messbaren Umweltparametern ein Verschwenken der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) über die Einrichtung zum Verschwenken der Luftleitelemente (16, 18; 26, 28, 30, 32) veranlasst.