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Einleitung:
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Um den permanent steigenden weltweiten Energiebedarf zu decken, wird auf verschiedene Energiequellen zurückgegriffen wie beispielsweise fossile Energieträger, regenerative Energiequellen oder Kernkraft. Alle diese Energiequellen besitzen erhebliche Nachteile wie endliche Ressourcen, die zeitlich zu erschöpfen drohen, oder CO2-Emission, die in Verdacht stehen, zur globalen Erwärmung beizutragen. Bei Atomkraftwerken besteht immer ein Restrisiko eines GAUs, aber auch während des alltäglichen Betriebs fällt bei der Kernspaltung radioaktiver Abfall an, der aufwendig entsorgt werden muss. Auch die sogenannten „grünen“ regenerativen Energiequellen sind nicht frei von Nachteilen: So stellt ein Wasserkraftwerk einen erheblichen Eingriff in das Biotop eines Flusssystems dar, Windkrafträder zerspargeln das Landschaftsbild, erzeugen in der unmittelbaren Umgebung permanent einen Lichtschlag und störende Geräusche und stellen eine Gefahr für Zugvögel dar. Außerdem benötigen die Permanentmagnete der Generatoren der Windkraftturbinen metallische Werkstoffe wie seltene Erden, die fast ausschließlich aus China bezogen werden; und zwar in Minen, die eine sehr, sehr hohe natürliche Radioaktivität besitzen und in denen der Arbeitsschutz nicht den allerhöchsten Standards entspricht. So kommt es zu dem oberflächlich paradox anmutenden Sachverhalt, dass durch deutsche Windkraft mehr Menschen (vor allem chinesische Bergarbeiter) durch Radioaktivität verstrahlt worden sind als durch deutsche Atomkraftwerke. Auch die Solarenergie hat gezeigt, dass sie nicht in der Lage ist, alleine den immensen Energiebedarf nach marktwirtschaftlichen Maßstäben ökonomisch und effizient zu decken, sondern sie stellt allerhöchstens eine sinnvolle Ergänzung eines ausgewogenen Energiemixes dar.
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Um die Windkraft ohne die oben genannten Nachteile nutzen zu können, wird hier ein neues Konzept einer Windkraftanlage vorgestellt, die keinen Lichtschlag erzeugt und keine Gefahr für die Zugvögel darstellt. Dabei ist der Rotor innerhalb des Aufbaus versteckt integriert und somit von außen nicht sichtbar, so dass die Windkraftanlage nicht über freie Rotorblätter verfügt. Ein eventuell niedrigerer effektiver Wirkungsgrad wird dabei bewusst in Kauf genommen
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Stand der Technik
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Die Firma Dyson Ltd, Malmesburg, Wiltshire, Großbritannien, ist bekannt für moderne Designprodukte mit neuartigen Designkonzepten und Funktionsprinzipien wie Staubsauger mit einem Fliehkraftabscheider, Heizlüfter, Händetrockner, Föhne für Haare und Ventilatoren. Zum Stand der Technik wird hierzu auf die Druckschriften
EP 2 805 060 B1 ,
EP 2 783 116 B1 ,
EP 2 630 373 B1 ,
EP 2 601 415 B1 ,
EP 2 404 120 B1 ,
EP 2 404 119 B1 ,
EP 2 356 340 B1 ,
EP 2 333 349 A1 ,
EP 2 265 825 B1 ,
EP 1 909 625 B1 ,
RU 2 584 387 C2 ,
RU 2 576 774 C2 ,
RU 2 576 734 C2 ,
RU 2 402 972 C2 und
WO 2013/107 999 A2 verwiesen. Dort werden diese Funktionsprinzipien und Arbeitsweisen detailliert beschrieben.
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Besonders bei den Tischventilatoren ist von außen kein sichtbarer Rotor installiert.
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Aufgabenstellung
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Im Folgenden wird ein Konzept einer Windkraftanlage vorgestellt und beschrieben, welche die besagten Nachteile wie Lichtschlag, störende Geräuschentwicklung, Gefährdung von Zugvögeln und hoher Wartungsaufwand, nicht besitzt. Dabei werden andere Nachteile wie ein eventuell geringerer Wirkungsgrad bewusst in Kauf genommen.
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Prinzipieller Lösungsweg
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Als Wind wird bewegte Luft bezeichnet, um Druckunterschiede innerhalb der Atmosphäre auszugleichen. Wind besitzt deswegen kinetische Energie und dient daher als Energiespender (Energiequelle): die bewegten Luftmassen strömen gegen den Rotor einer fest installierten Windkraftanlage und setzen diesen aufgrund der speziell ausgestalteten Form der Rotorblätter in Bewegung. Somit wird Strömungsenergie in Rotationsenergie umgewandelt. Dabei wird die Welle eines Generators angetrieben, die die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt, die in das Stromnetz eingespeist und somit dem Endverbraucher zugeführt wird.
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Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung basiert auf der Funktionsweise der im Kapitel „Stand der Technik“ vorgestellten Ventilatoren der Firma Dyson; allerdings ist deren Arbeitsweise entsprechend modifiziert und an die Anforderungen optimal angepasst. Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage sind die Rotoren nicht freidrehend wie bei klassischen Windkraftanlagen installiert, sondern sie sind innerhalb des Aufbaus versteckt integriert, also ummantelt, und somit von außen nicht sichtbar. Der Aufbau besteht aus einem ausreichend großen Strömungsrohr, im folgenden Hauptströmungsrohr oder -kanal genannt, und mindestens einem meist senkrecht auf diesem stehenden kleineren Strömungsrohr, im folgenden Nebenströmungsrohr oder -kanal genannt. Bevorzugt sind die Rotoren der Windkraftanlage innerhalb des mindestens einen Nebenströmungsrohrs eingebaut, der sich seitlich neben dem Hauptströmungsrohr auf seiner Unterseite befindet und (meist) senkrecht auf dem Hauptströmungsrohr steht, so dass das Nebenströmungsrohr in das Hauptströmungsrohr mündet. Das Nebenströmungsrohr besitzt auf der anderen Seite, also auf derjenigen Seite, die nicht in den Hauptströmungsrohr mündet, ebenfalls eine Öffnung, so dass er mit der Außenumgebung strömungstechnisch verbunden ist, indem Luft durch diese Öffnung von außen in das Nebenströmungsrohr hineinfließen kann.
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Beide Strömungsrohre, das Haupt- und das Nebenströmungsrohr, sind strömungstechnisch miteinander verbunden, so dass das Strömungsmedium Luft nacheinander durch beide hindurchfließen kann; insbesondere kann Luft von außen in das Nebenströmungsrohr und von dort in das Hauptströmungsrohr fließen.
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Das Hauptströmungsrohr muss ausreichend groß sein, um die ankommenden Windluftmassen aufnehmen zu können. Die ankommenden Luftmassen werden in das Hauptströmungsrohr gelenkt und durch diesen hindurch geleitet. Das Strömungsrohr besitzt einen konvergent-divergenten Längsschnitt, so dass nach dem Gesetz von Bernoulli die bewegten Luftmassen beschleunigt werden und somit einen höheren dynamischen und einen geringeren statischen Druck besitzen. Der statische Druck ist somit auch an der Verbindungsstelle zwischen Haupt- und Nebenströmungsrohr, an der das Nebenströmungsrohr in das Hauptströmungsrohr mündet und an der das Hauptströmungsrohr (mit dem konvergent-divergenten Längsschnitt) seine geringste Querschnittsfläche besitzt, reduziert. Dadurch ergibt sich zwischen den beiden Öffnungen des Nebenströmungsrohrs, also zwischen der Verbindungsöffnung zum Hauptströmungsrohr und der auf der gegenüberliegenden Seite zur äußeren Umgebungsluft liegenden Öffnung, eine Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz bewirkt ein Ansaugen der äußeren Umgebungsluft in das Nebenströmungsrohr hinein, die dann den Rotor antreibt, um dann zur Verbindungsöffnung zum Hauptströmungsrohr zu gelangen. Von dort fließt die Luft in das Hauptströmungsrohr hinein und strömt mit der Hauptströmung des Hauptströmungsrohrs mit, um letztendlich aus dem Hauptströmungsrohr auszutreten.
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Der durch die Strömung im Nebenströmungsrohr angetriebene Rotor treibt einen Generator an, um elektrische Energie zu erzeugen.
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Ausführungsbeispiele
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Aufbau
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Im Folgenden wird auf die 1 und 2 Bezug genommen.
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Die Windkraftanlage 1 besteht aus mindestens einem Hauptströmungsrohr 2 und mindestens einem Nebenströmungsrohr 3. Das Hauptströmungsrohr 2 setzt sich zusammen aus einer Eintrittsöffnung 4, einem rohrförmigen Aufbau als Mittelteil 5 und einer Austrittsöffnung 6. Das Hauptströmungsrohr 1 kann entweder gerade oder gekrümmt sein; letzteres insbesondere, falls dies wegen Platzmangel erforderlich sein sollte. Der Längsschnitt des Hauptströmungsrohrs zeigt ein konvergent-divergentes Längsprofil, d.h. erst nimmt die Querschnittsfläche ab, um dann wieder zuzunehmen. Der Querschnitt des Hauptströmungsrohrs kann rund, oval, elliptisch, eckig, viereckig, rechteckig oder quadratisch sein oder sonst wie eine polygone oder irgendeine andere Form besitzen. Die Windkraftanlage kann auf einer Trägerplattform um ihre Hochachse drehbar gelagert sein; an der Außen- und/oder an der Innenseite des Hauptströmungsrohrs können Strömungsflossen angebracht sein, die bei Anströmung durch Wind das Hauptströmungsrohr drehen und somit in die optimale Strömungsrichtung ausrichten können ähnlich wie bei einem klassischen kleinen Windrad. Alternativ können die Strömungsflossen durch Strömungsruder ersetzt oder ergänzt werden, so dass durch eine gezielte Ansteuerung der Strömungsruder die erfindungsgemäße Windkraftanlage in eine beliebige Richtung gedreht werden kann, die nicht unbedingt identisch mit der Windrichtung sein muss.
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Optional können auch mehrere Hauptströmungsrohre parallel gebündelt als Batterie oder seriell in Reihe geschaltet installiert werden.
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Das Hauptströmungsrohr kann auch in einem Hügel oder in einer Schlucht zwischen zwei steilen Abhängen oder innerhalb eines Abhanges eingebaut werden (geotechnische Ausführung), wobei dann die Ein- und Austrittsöffnung des Strömungsrohrs mit der Erdoberfläche verbunden sind. Da die Windkraftanlage dann aber in dieser geotechnischen Ausführungsform nicht mehr drehbar gelagert ist, muss garantiert sein, dass der Wind zuverlässig meist aus einer bestimmten Vorzugsrichtung kommt.
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Das Nebenströmungsrohr 3 wird vorzugsweise am engsten Querschnitt des Hauptströmungsrohrs 2 mit diesem verbunden, d.h. die sich am oberen Ende des Nebenströmungsrohrs befindliche erste Öffnung 7 mündet in das Mittelteil 5 des Hauptströmungsrohrs 2 ein, und zwar vorzugsweise dort, wo die Querschnittsfläche des Hauptströmungsrohrs 2 am kleinsten ist (dort ist die Geschwindigkeit der Luft durch das Hauptströmungsrohr am größten und somit der statische Druck an dieser Stelle am geringsten).
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Die Öffnung 8 am anderen Ende des Nebenströmungsrohrs 3 besitzt eine Verbindung zur Außenwelt, so dass Umgebungsluft von außen in das Nebenströmungsrohr hineinströmen kann. Die Öffnung 8 kann radial um die Längsachse des Nebenströmungsrohrs ausgebildet sein, so dass von allen Seiten Umgebungsluft in das Nebenströmungsrohr fließen kann. Im Nebenströmungsrohr 3 ist ein Rotor 9 installiert, der durch das Nebenströmungsrohr 3 ummantelt wird. Das Nebenströmungsrohr 3 besitzt bevorzugt einen konstanten Querschnitt. Lediglich nur auf der Höhe, an der sich der Rotor 9 befindet, kann optional der Querschnitt der Nebenströmungsrohrs 3 eingeengt werden (in 2 nicht gezeigt), um an dieser Stelle den dynamischen Druck (Staudruck) zu erhöhen. Dadurch wird der Rotor mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit angeströmt, so dass mehr Strömungsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird und damit der Wirkungsgrad erhöht wird. Es können auch mehrere Nebenströmungsrohre verwendet werden, die an einer Seite des Hauptströmungsrohrs nebeneinander oder radial um das Hauptströmungsrohr herum angeordnet werden. Meist stehen die Nebenströmungsrohre senkrecht auf der Außenhülle des Hauptströmungsrohrs, allerdings ist es auch denkbar, dass diese auch angewinkelt sein können, wenn dies beispielsweise den Strömungsfluss begünstigt.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können auch mehrere Rotoren in einem Nebenströmungsrohr neben- oder nacheinander implementiert werden.
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Es ist auch denkbar, dass der Rotor im Hauptströmungsrohr 2 eingebaut wird, und zwar bevorzugt in der Umgebung der engsten Stelle des Hauptströmungsrohrs. Dabei können, aber müssen nicht unbedingt Nebenströmungsrohre am Hauptströmungsrohr angebracht sein. Im Falle ohne Nebenströmungsrohre kommt der gesamte Wind von vorne durch die Eintrittsöffnung 4 und im Falle mit Nebenströmungsrohre kommt nur ein Teil des Windes durch die Eintrittsöffnung 4 des Hauptströmungsrohrs und der restliche Teil aus den Nebenströmungsrohren. Da der Rotor nahe des engsten Querschnitts im Hauptströmungsrohr eingebaut ist, profitiert zwar die Rotationsbewegung des Rotors vom höheren dynamischen Druck der anströmenden Luft, allerdings ist dann aber ein Großteil der Vorteile weg, die die erfindungsgemäße Windkraftanlage ausmachen.
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Funktionsweise
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Der Wind tritt in die Eintrittsöffnung 4 des Hauptströmungsrohrs 2 ein und wird durch das Mittelteil 5 geleitet, um aus der Austrittsöffnung 6 wieder in die Umgebung auszutreten. Da das Mittelteil 5 des Hauptströmungsrohrs 2 ein konvergent-divergentes Längsprofil besitzt, wird die durch das Hauptströmungsrohr 2 geführte Luft erst beschleunigt und nach Passieren der engsten Stelle im Hauptströmungsrohr 2 wieder verlangsamt. An der engsten Stelle des Hauptströmungsrohrs besitzt also das Strömungsmedium Luft die maximale Geschwindigkeit und somit den maximalen dynamischen Druck (Staudruck) und somit einen minimalen statischen Druck (Gesetz nach Bernoulli). An dieser Stelle befindet sich auch die Öffnung 7 am oberen Ende des Nebenströmungsrohrs 3, welches in das Hauptströmungsrohr 2 mündet. An der Öffnung 7 am oberen Ende des Nebenströmungsrohrs 3 herrscht also ein geringer statischer Druck, während auf die Öffnung 8 am unteren Ende des Nebenströmungsrohrs 3 der normale statische Druck der Umgebungsluft von außen wirkt. Durch diese Druckdifferenz wird Umgebungsluft von außen in das Nebenströmungsrohr hineingedrückt oder hineingesogen, so dass die von außen kommende Umgebungsluft den Rotor 9 anströmt und diesen antreibt. Falls an der Stelle, an der sich der Rotor 9 befindet, der Querschnitt des Nebenströmungsrohrs künstlich verengt ist, wird der Staudruck noch einmal erhöht und treibt den Rotor 9 noch stärker an. Nach Passieren des Rotors 9 gelangt die Luftströmung durch die obere Öffnung 7 in das Hauptströmungsrohr 2, um dann mit der restlichen Strömung im Hauptströmungsrohr durch die Austrittsöffnung 6 nach außen in die Umgebung auszutreten.
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Der dadurch angetriebene Rotor 9 treibt einen Generator 10 an, um elektrische Energie zu erzeugen.
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Die Vorteile solch einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem integrierten versteckten und ummantelten Rotor ist die Reduzierung des Lichtschlags und der Geräusche verursacht durch die Drehbewegung sowie eine verminderte Gefahr für Vögel, durch die Rotorblätter verletzt oder getötet zu werden. Außerdem wird die Wartung erleichtert, da die Rotoren näher am Erdboden sich befinden und somit leichter zu erreichen sind. Überdies ist ein so versteckter und bedeckter Rotor nicht so sehr den äußeren Umwelteinflüssen ausgesetzt, so dass er nicht ganz so schnell verschleißt.
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Nachteil dieser erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist der niedrigere Wirkungsgrad, was aber durch einen einengenden Querschnitt der Strömungsrohre mit einem verkleinerten Querschnitt und somit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit an der richtigen Stelle, an der sich der Rotor 9 befindet, zumindest teilweise kompensiert werden kann.
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Aussicht:
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Dieses Funktionsprinzip beschränkt sich nicht nur auf Luft als strömendes Fluidum, sondern kann auch für andere Fluiden eingesetzt werden: wird nun das strömende Medium Luft durch das strömende Medium Wasser ersetzt, so läßt sich dieses Prinzip auch auf eine Wasserkraftanlage anwenden. Dabei ist in beiden Fällen das Funktionsprinzip gleich.
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Das erfindungsgemäße Prinzip kann man auch auf andere Anwendungen ausdehnen, bei denen ein strömendes Fluidum eine Anwendung findet und bei denen der Rotor nicht von außen sichtbar, sondern besser nicht frei, also verdeckt sein sollte: beispielsweise als Messgerät zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit (Anemometer u.a.) oder des Staudrucks oder als Vortrieb ähnlich einem Propeller in Luft oder in Wasser oder einem anderen fluiden Medium oder zum Bewegen von fluiden Medien zur Durchmischung, Umrühren oder Transport von ihnen beispielsweise in der Verfahrenstechnik oder als Windkanal, wobei im Hauptströmungsrohr das Testobjekt positioniert ist.
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Figurenliste
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- 1: Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
- 2: Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2805060 B1 [0003]
- EP 2783116 B1 [0003]
- EP 2630373 B1 [0003]
- EP 2601415 B1 [0003]
- EP 2404120 B1 [0003]
- EP 2404119 B1 [0003]
- EP 2356340 B1 [0003]
- EP 2333349 A1 [0003]
- EP 2265825 B1 [0003]
- EP 1909625 B1 [0003]
- RU 2584387 C2 [0003]
- RU 2576774 C2 [0003]
- RU 2576734 C2 [0003]
- RU 2402972 C2 [0003]
- WO 2013/107999 A2 [0003]
