DE102017002867A1

DE102017002867A1 - Kombinierte Windkraftanlage mit linearen Turbinen und Solar-Modulen

Info

Publication number: DE102017002867A1
Application number: DE102017002867.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: MILOSIU JOHANN MARIUS
Current assignee: MILOSIU JOHANN MARIUS
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung ermöglicht nicht nur eine hocheffiziente Erzeugung von elektrischer Energie mittels Windkraft unter Benutzung einer turmartigen Konstruktion, die mehrere drehbar angebrachte Zeilen von linearen Turbinen befindlich in rechteckigen Gehäusen in übereinander plazierten Ebenen aufweist, sondern erbringt auch eine deutliche Steigerung der Energiebilanz solcher Anlagen, indem Sonnenenergie durch Solar-Module ebenfalls verfügbar macht. Dabei sind die Solar-Module auf allen nach oben gerichteten Bodenblechen der Turm-Plattform plaziert, was eine beachtliche Fläche darstellt.Eine Sensorüberwachung für Wind und daraufbasierende gelieferte Leistung gekoppelt mit einer elektronischen Steuerung ermöglicht die Steuerung von Umlenkern, die den Windzugang zu den Turbinen nach Bedarf regeln und auch im Sturmfalle den Windzugang stark drosseln, um die Turbinen von Überbelastung zu schützen. Dabei ist eine qualitativ gute Beschleunigung der Luftmassen vor dem Eintritt in die Turbinen erreicht, indem mehr als zwei Umlenker sich den Raum vor den Turbinen teilen, ohne daß dabei der Luftwiderstand so groß ist, daß der Wind die Anlage umläuft. Eine relativ geringe Verkleinerung des Querschnitts im Raum vor den Turbinen, von z.B. 25 % ermöglicht praktisch eine Verdoppelung des Windenergie-Ertrags, da die gewonnene Energie aus Wind direkt proportional mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Windkraftanlage, die eine größere Anzahl von linearen Turbinen zur Umwandlung der Windenergie in elektrischer Energie, so wie von Solar-Modulen enthält.
Geräte mit denen man die Windenergie in elektrische Energie umwandelt sind bekannt. Dabei spielen die großen Windgeneratoren mit axialen Windrädern und mit großer Spannbreite eine herausragende Rolle. Diese haben alle einen großen Nachteil: die Energieausbeute reduziert sich auf die Übernahme einer geringfügigen Menge der Energie, die der Wind auf der Kreisfläche der Spannbreite zur Verfügung stellt. Daraus resultieren weitere Nachteile: um große Energiemengen zu produzieren, müssen die Spannbreiten dieser Windräder enorme Ausmaße annehmen, was diese Art von Geräten unnötig verteuert und außerdem ist der Betrieb solcher Räder mit starken Betriebsgeräuschen verbunden, was sie für die Ansiedlung im bewohntem Gebiet fraglich macht. Windkraftanlagen kombiniert mit Solar-Modulen sind derzeit nicht bekannt.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, einen Verbund von relativ kleinen Windgeneratoren, als gleiche Module, für die Energieumwandlung Wind / Elektrizität zu bilden, so dass beliebig große Energiemengen produziert werden können; dabei soll die Energiebilanz durch Hinzuziehung von Solar-Modulen verbessert werden. Die Anwendung von gleichen Modulen, welche auch noch gebaut mit sehr vielen gleichen Standardteilen sind, sinkt den Herstellungspreis beachtlich.
Mehrer Module von, wie im Patent DE 10 2016 003 249 und im Patent DE 10 2016 010 416 beschriebenen linearen Turbinen werden für die erfindungsgemäße Großwindkraftanlage eingesetzt.
Gelöst wird die Aufgabe bei der vorliegenden Erfindung indem eine turmartige Konstruktion mehrere drehbar angebrachte Zeilen von Turbinen in übereinander plazierten Ebenen aufweist, wobei die Solar-Module auf allen nach oben gerichteten Bodenblechen der Turm-Plattformen plaziert sind, was eine beachtliche Fläche darstellt und damit viel Sonnenenergiegewinn ergibt. Zugleich ist die Effizienz der Windanlage deutlich höher durch Verwendung von mehreren nebeneinander plazierten Umlenkern, die durch Minderung der Durchlaßquerschnitts im Raum vor den Turbinen eine Beschleunigung der Luftmassen bewirkt; diese erhöhte Windgeschwindigkeit wirkt mit ihrer dritten Potenz auf die Erhöhung der Windkraftanlagenleistung.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
Es zeigt:

1 Schnitt A-A (Querschnitt) durch die Windkraftanlage
2 Schnitt B-B (Längsschnitt) durch die Windkraftanlage

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage mit Anwendung vieler linearen modularen Turbinen T1j, T2j, ..., Tij, ...Tnj, welche je einen gleichen rechteckigen Rahmenmgehäuse 3 haben, sind gezielt gruppiert als Turbinenzeile Z1, Z2, ... Zj, ..., Zm zur optimalen Windausnutzung im Wind 1. Die jeweilige Turbinenzeilen Zj zeigen durch entsprechende kontinuierliche Ausrichtung immer dieselbe breite Seite dem Wind 1, wobei die Antriebswellen 4 der jeweiligen Turbinenzeile Zj mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Orientierung im Wind 1 erfolgt automatisch, dadurch, daß der rotierende Teil der Anlage vom Wind 1 immer hinter dem Drehpunkt geschoben wird.
Starre Balken 16, 17 und Querstreben 18, 19 befestigen die jeweilige Turbinenzeile Zj und verbinden diese mit dem breitflächigen Verbindungselement 11. Die Balken 16, 17 sind an deren Ende mit Rollen 22, 23 versehen, so daß diese immer auf einem kreisförmigen Streifen 24 rollen. Dabei dreht sich die ganze jeweilige Turbinenzeile Zj um das Zentralrohr (Achse der Anlage) 12, und orientiert sich so, daß der Wind 1 stets die Turbinen 2 von vorne beaufschlagt. Der kreisförmige Streifen 24 ist Teil einer jeweiligen starren Plattform 31 mit Bodenblechen 29, 30, wobei eine geeignete Anzahl von horizontalen Balkenverstrebungen 28 der Plattform 31 Stabilität verleiht. Alle Plattformen 31 sind zwischen einigen vertikalen Holmen 32, 33, 34, 35, übereinander angeordnet und so werden sie zusammen gehalten. Weitere vertikale und schräge Balken 36, 37 (ohne Darstellung) plaziert am Rande außerhalb der Plattformen, die miteinander verwoben sind, ermöglichen eine Festigkeitserhöhung des so gebildeten Turms.
Eine Reihe von Umlenkern 44, 45, 46, 47 sind an der jeweiligen Turbinenzeile Zj in gleichen Abständen und symmetrisch auf beiden Seiten, an der Vorderflanke, dort wo der Wind 1 herkommt, befestigt, so daß die Luftmassen kontrolliert durch immer enger werdenden Querschnitte des Raumes zwischen den Umlenkern 44, 45, 46, 47 gezwungen werden, um die Geschwindigkeit der Luft zu erhöhen.
Obere und untere, linke und rechte Steuerungsleisten 48, 49 sind vorgesehen, welche Stifte 56, 57, 59, 60 aufweisen, die in den Langlöchern 52, 53, 54, 55 befindlich in den Endleisten der Umlenker 44, 45, 46, 47 greifen, dergestalt, daß diese Umlenker stets gezwungen werden eine Rotationsbewegung um deren Befestigungspunkten 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 zu machen, wenn der äußerste Umlenker 44 dies tut, und zwar so, daß im geöffneten Zustand die Enden der Umlenker 44, 45, 46, 47 im gleichen größeren Abstand zueinander stehen und im geschlossenen Zustand diese Enden sich stark aneinander nähern und zwar in einem Bereich in der Nähe der Mitte der jeweiligen Plattform 31.
Damit die beschleunigten Luftströme nicht schräg in die Turbinen gelangen, was zur Leistungsminderung führen würde, sind eine Reihe von kurzen Umlenkblechen 14 unmittelbar vor den Turbineneingängen plaziert. Diese erzwingen eine senkrechte Orientierung der Luftströme auf den Turbinenzeilen Zj, wobei sie relativ nahe beieinander auf der Gehäusen 3 der Turbinen montiert sind.
Zwei hydraulische oder sonstige teleskopische Zylinder mit Kolben 72, 74 plaziert zwischen dem freien Ende des äußersten Umlenker 44 und der Mitte eines Verbindungsstücks 82 befindlich zwischen des oberen und unteren Verlängerungen 13 des jeweiligen Verbindungselements 11 sind vorgesehen.
Der nach oben gerichtete gesamte Bodenblech 30 außer dem kreisförmigen Streifen 24 ist mit Solar-Modulen 76 verlegt, wobei auch die obere Oberfläche der obersten Plattform 31 ebenfalls mit diesen Solar-Modulen versehen ist, so daß die meistens etwas schräg stehende Sonne ein Großteil der Oberfläche der Solar-Module 76 erreicht, welche so zusätzliche elektrische Energie produzieren.
Die Turbinenzeilen Zj weisen geeignete Aussparungen 77 in den benachbarten Wand-Bereichen der Gehäuse 3 auf, wo ein Zahnriemen 50 die Verbindung zwischen einem jeweils inneren Zahnrad 78 und einem jeweils äußeren Zahnrad 79 befindlich auf der Antriebswelle eines jeweiligen Elektro-Generators 80 herstellt. 1 oder 3 Elektro-Generatoren umwandeln die mechanische Energie der jeweiligen Turbinenzeile Zj in elektrische Energie.
Beide Energiequellen, also, einerseits Windenergie stammend von der Turbinenzeile Zj und andererseits Sonnen-Energie von den Solar-Modulen, angepaßt durch geeignete Kontroller, werden einem oder mehreren einphasigen oder dreiphasigen Wechselrichter getaktet mit der Frequenz des nationalen Netzes zugeführt, um darin eingespeist zu werden.
Die Verlängerung 13 des Verbindungsteils 11 des Verbindungselements 13 stützt sich auf der Rolle 81, welche auf dem kreisförmigen Streifen 24 rollen kann. Die Steuerungsleisten 48, 49 sind darin gelagert, wobei in dieser Lagerung auch der vertikaler Abstandshalter 82 steckt, der den Abstand zwischen den oberen und unteren Steuerungsleisten 48, 49 konstant hält, um eine korrekte Funktionalität dessen zu garantieren.
Eine Sensorüberwachung 15 für Wind und daraufbasierende gelieferte Leistung gekoppelt mit einer elektronischen Steuerung ermöglicht die Steuerung der Umlenker 44, 45, 46, 47, die den Windzugang zu den Turbinen nach Bedarf regeln und auch im Sturmfalle den Windzugang stark drosseln, um die Turbinen von Überbelastung zu schützen. Dabei ist eine qualitativ gute Beschleunigung der Luftmassen vor dem Eintritt in die Turbinen erreicht, indem mehr als zwei Umlenker sich den Raum vor den Turbinen teilen, ohne daß dabei der Luftwiderstand so groß ist, daß der Wind die Anlage umläuft. Eine relativ geringe Verkleinerung des Querschnitts im Raum vor den Turbinen, von z.B. 25 % ermöglicht praktisch eine Verdoppelung des Windenergie-Ertrags und macht solche Anlagen auch in windschwachen Regionen rentabel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016003249 [0004]
DE 102016010416 [0004]

Claims

Windkraftanlage mit Anwendung vieler linearen modularen Turbinen (T1j, T2j, ..., Tij, ...Tnj), welche je einen gleichen rechteckigen Rahmenmgehäuse (3) haben, gezielt gruppiert als Turbinenzeile (Z1, Z2, ... Zj, ..., Zm)zur optimalen Windausnutzung im Wind (1) sind, dergestalt, daß die jeweilige Turbinenzeile (Zj) durch entsprechende kontinuierliche Ausrichtung immer dieselbe breite Seite dem Wind (1) zeigen, wobei die Antriebswellen (4) der jeweiligen Turbinenzeile (Zj) mechanisch miteinander gekoppelt, wobei starre Balken (16, 17) und Querstreben (18, 19) die jeweilige Turbinenzeile (Zj) befestigt und mit dem breitflächigen Verbindungselement (11) verbindet, wobei die Balken (16, 17) an deren Ende mit Rollen (22, 23) versehen sind, die immer auf einem kreisförmigen Streifen (24) sich bewegen, so daß die ganze jeweilige Turbinenzeile (Zj) sich um das Zentralrohr (Achse der Anlage) (12) drehen kann, und sich so orientieren, daß der Wind (1) stets die Turbinen (2) von vorne beaufschlagt, wobei der kreisförmige Streifen (24) Teil einer jeweiligen starren Plattform (31) mit Bodenblechen (29, 30) ist, wobei eine geeignete Anzahl von horizontalen Balkenverstrebungen (28) Stabilität der Plattform (31) verleiht, wobei alle Plattformen (31) die übereinander angeordnet sind, von einigen vertikalen Holmen (32, 33, 34, 35), zusammen gehalten werden, wobei weitere vertikale und schräge Balken (36, 37) die miteinander verwoben sind, eine Festigkeitserhöhung des so gebildeten Turms erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass i. eine Reihe von Umlenkern (44, 45, 46, 47) an der jeweiligen Turbinenzeile (Zj) in gleichen Abständen und symmetrisch auf beiden Seiten, an der Vorderflanke, dort wo der Wind (1) herkommt, befestigt sind, so daß die Luftmassen kontrolliert durch immer enger werdenden Querschnitte des Raumes zwischen den Umlenkern (44, 45, 46, 47) gezwungen werden, um die Geschwindigkeit der Luft zu erhöhen, ii. wobei die beschleunigten Luftströme nicht schräg in die Turbinen reinlaufen können, was zur Leistungsminderung führen würde, weil eine Reihe von kurzen Umlenkblechen (14) unmittelbar vor den Turbineneingängen plaziert sind, welche eine senkrechte Orientierung der Luftströme auf den Turbinenzeilen Zj erzwingen, wobei sie relativ nahe beieinander auf den Gehäusen (3) der Turbinen montiert sind; iii. wobei obere und untere, linke und rechte Steuerungsleisten (48, 49) vorgesehen sind, welche Stifte (56, 57, 59, 60) aufweisen, welche in den Langlöchern (52, 53, 54, 55) befindlich in den Endleisten der Umlenker (44, 45, 46 ,47) greifen, dergestalt, daß diese Umlenker stets gezwungen werden eine Rotationsbewegung um deren Befestigungspunkten (64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71) zu machen, wenn der äußerste Umlenker (44) dies tut, und zwar so, daß im geöffneten Zustand die Enden der Umlenker (44, 45, 46, 47) im gleichen größeren Abstand zueinander stehen und im geschlossenem Zustand diese Enden sich stark aneinander nähern und zwar in einem Bereich in der Nähe der Mitte der jeweiligen Plattform (31), iv. wobei hydraulische oder sonstige teleskopische Zylinder mit Kolben (72, 74) plaziert zwischen dem freien Ende des äußersten Umlenkers (44) und der Mitte eines Verbindungsstücks (82) befindlich zwischen des oberen und unteren Verlängerungen (13) des jeweiligen Verbindungselements (11) vorgesehen sind, v. wobei der gesamte, nach oben gerichtete Bodenblech (30) außer dem kreisförmigen Streifen (24) mit Solar-Modulen (76) verlegt ist, wobei auch die obere Oberfläche der obersten Plattform (31) ebenfalls mit solchen Solar-Modulen versehen ist, so daß die meistens etwas schräg stehende Sonne ein Großteil der Oberfläche der Solar-Module (76) erreicht, welche so zusätzliche elektrische Energie produzieren, vi. wobei die Turbinenzeilen (Zj) geeignete Aussparungen (77) in den benachbarten Wand-Bereichen der Gehäuse (3) aufweisen, wo ein Zahnriemen (50) die Verbindung zwischen einem jeweils inneren Zahnrad (78) und einem jeweils äußeren Zahnrad (79) befindlich auf der Antriebswelle eines jeweiligen Elektro-Generators (80) herstellt, dergestalt, daß 1 oder 3 Elektrogeneratoren die mechanische Energie der jeweiligen Turbinenzeile (Zj) in elektrische Energie umwandeln, vii. wobei beide Energiequellen, also, einerseits Windenergie stammend von der Turbinenzeile (Zj) und andererseits Sonnen-Energie von den Solar-Modulen, angepaßt durch geeignete Kontroller, einem oder mehreren einphasigen oder dreiphasigen Wechselrichter getaktet mit der Frequenz des nationalen Netzes zugeführt werden, um darin eingespeist zu werden, viii. wobei die Verlängerung (13) des Verbindungsteils (11) des Verbindungselements (13) auf der Rolle (81) sich stützt, welche auf dem kreisförmigen Streifen (24) sich bewegen kann, dergestalt, daß die Steuerungsleisten (48, 49) darin gelagert sind, wobei in dieser Lagerung auch der vertikaler Abstandshalter (82) steckt, der den Abstand zwischen den oberen und unteren Steuerungsleisten (48, 49) konstant hält, um eine korrekte Funktionalität dessen zu garantieren, ix. wobei eine Sensorüberwachung (15) für Wind und daraufbasierende gelieferte Leistung gekoppelt mit einer elektronischen Steuerung die Steuerung der Umlenker (44, 45, 46, 47) ermöglicht, die den Windzugang zu den Turbinen nach Bedarf regeln und auch im Sturmfalle den Windzugang stark drosseln, um die Turbinen von Überbelastung zu schützen.