DE102019122567B4

DE102019122567B4 - Vertikalachsen-Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102019122567B4
Application number: DE102019122567.1A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2039-08-23
Also published as: DE102019122567A1

Abstract

Windkraftanlage (14) zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie, umfassend eine Stützkonstruktion (17, 40, 41), einen an der Stützkonstruktion um eine im Wesentlichen vertikale Achse drehbar gelagerten Rotor (23) mit wenigstens zwei am Rotor (23) gelagerten Flügelelementen (28), die unter Ausnutzung eines auf die Windkraftanlage treffenden Luftstroms (33) zum Antreiben des Rotors (23) ausgebildet sind und die um eine im Wesentlichen vertikale Achse zwischen einer eingeklappten Position, in der sie dem Wind eine kleinere Angriffsfläche bieten, und einer ausgeklappten Position, in der sie dem Wind eine größere Angriffsfläche bieten, bewegbar sind, wobei die Windkraftanlage (14) eine den Rotor (23) in Umfangsrichtung zumindest teilweise umgebende Windleiteinrichtung (16) aufweist, die in einem ersten Umfangsabschnitt des Rotors einen Leitabschnitt (24) und in einem zweiten, vom ersten verschiedenen Umfangsabschnitt des Rotors einen Strömungskorridor (25) aufweist, durch den der Luftstrom hindurchströmen kann, um den Rotor (23) anzutreiben, wobei der Leitabschnitt (24) dazu ausgebildet ist, den Luftstrom zumindest teilweise in Richtung des Strömungskorridors (25) abzulenken, wobei die Flügelelemente (28) dazu ausgebildet sind, in der ausgeklappten Position in den Strömungskorridor (25) hineinzuragen und wobei der Leitabschnitt (24) in eine gedachte Bewegungsbahn der in der ausgeklappten Position befindlichen Flügelelemente (28) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen Rotationszustand aufweist, bei dem ein Teil (37) des eintretenden Luftstroms auf ein sich öffnendes Flügelelement (28) auftrifft und ein weiterer Teil (38) des eintretenden Luftstroms ohne Einwirkung auf eines der Flügelelemente (28) durch den Strömungskorridor (25) hindurchtritt.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie. Die Windkraftanlage umfasst eine Stützkonstruktion, einen an der Stützkonstruktion um eine im Wesentlichen vertikale Achse drehbar gelagerten Rotor mit wenigstens zwei am Rotor gelagerten Flügelelementen. Die Flügelelemente sind unter Ausnutzung eines auf die Windkraftanlage treffenden Luftstroms zum Antreiben des Rotors ausgebildet. Die Flügelelemente sind außerdem um eine im Wesentlichen vertikale Achse zwischen einer eingeklappten Position, in der sie dem Wind eine kleinere Angriffsfläche bieten, und einer ausgeklappten Position, in der sie dem Wind eine größere Angriffsfläche bieten, bewegbar.
Windkraftanlagen mit vertikal ausgerichteter Rotorachse und klappbar am Rotor befestigten Flügelelementen sind als sogenannte „Klappflügel-Rotoren“ aus offenkundiger Vorbenutzung sowie aus den Dokumenten DE 10 2006 058 767 A1 oder DE 20 2009 007 536 U1 grundsätzlich bekannt. Bei vertikal ausgerichteten Rotoren gibt es immer eine Seite des Rotors, auf der die Bewegung des Rotors zur Windrichtung gleichgerichtet ist (nachfolgend auch „Windseite“ genannt) und eine gegenüberliegende Seite, auf der die Bewegung der Windrichtung entgegengesetzt ist (nachfolgend auch „Gegenwindseite“ genannt). Im Betrieb des Klappflügel-Rotors wird dafür Sorge getragen, dass die Flügelelemente auf der Windseite ausgeklappt werden, so dass dort ein großes Drehmoment entsteht, wobei die Flügelelemente auf der Gegenwindseite eingeklappt werden, um ein der Rotordrehung entgegenwirkendes Drehmoment zu minimieren.
Nachteilig an diesen bekannten Rotoren ist, dass die Ausnutzung der Windenergie nicht optimal ist. Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Windkraftanlage bereitzustellen, welche eine bessere Energieausbeute ermöglicht. Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß umfasst die Windkraftanlage eine den Rotor in Umfangsrichtung zumindest teilweise umgebende Windleiteinrichtung, die in einem ersten Umfangsabschnitt des Rotors einen Leitabschnitt und in einem zweiten, vom ersten verschiedenen Umfangsabschnitt des Rotors einen Strömungskorridor aufweist, durch den der Luftstrom hindurchströmen kann, um den Rotor anzutreiben. Der Leitabschnitt ist dazu ausgebildet, den Luftstrom zumindest teilweise in Richtung des Strömungskorridors abzulenken, wobei die Flügelelemente dazu ausgebildet sind in der ausgeklappten Position in den Strömungskorridor hineinzuragen und wobei der Leitabschnitt in eine gedachte Bewegungsbahn der in der ausgeklappten Position befindlichen Flügelelemente hineinragt.
Zunächst werden einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert. Die Windleiteinrichtung umfasst einen Leitabschnitt, welcher in einem ersten Umfangsabschnitt des Rotors angeordnet ist und einen Strömungskorridor, welcher im zweiten Umfangsabschnitt des Rotors angeordnet ist. Der Begriff „Umfangsabschnitt“ bezieht sich auf die Drehachse des Rotors. Wenn die Umfangsabschnitte verschieden sind bedeutet dies, dass die Umfangsabschnitte in Umfangsrichtung über einen bestimmten Winkelbereich voneinander beabstandet sind und sich nicht überlappen. Zwischen dem ersten und zweiten Umfangsabschnitt besteht vorzugsweise ein Winkelabstand von mindestens 20°, vorzugsweise mindestens 40°, weiter vorzugsweise mindestens 60°. Der Winkelabstand bezeichnet den Abstand in Umfangsrichtung zwischen den Umfangsabschnitten. Er wird gemessen zwischen den jeweiligen in Umfangsrichtung liegenden äußeren Begrenzungen der Umfangsabschnitte.
Der Leitabschnitt bezeichnet einen Abschnitt der Windleiteinrichtung, welcher dazu ausgebildet ist, einen darauf treffenden Luftstrom zumindest teilweise abzulenken. Der Leitabschnitt ist zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig luftundurchlässig. Der Strömungskorridor bezeichnet einen an den Rotor angrenzenden Bereich, durch den der Wind hindurchtreten kann, um die Flügelelemente, welche sich ebenfalls durch den Strömungskorridor bewegen, anzutreiben.
Die Windkraftanlage ist zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie ausgebildet. Die mechanische Energie ist vorliegend Bewegungsenergie des sich drehenden Rotors. Die Windkraftanlage umfasst vorzugsweise einen Generator zur Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie. Möglich ist aber auch, die mechanische Energie für andere Zwecke einzusetzen, beispielsweise zum Antreiben einer mechanischen Pumpe.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass durch auf der Gegenwindseite am Rotor vorbeiströmenden Wind auch dann, wenn sich die Flügelelemente dort in der eingeklappten Position befinden, Energie verloren geht. Durch die erfindungsgemäße Windleiteinrichtung und insbesondere durch den Leitabschnitt kann dieser Energieverlust verringert werden. Der erfindungsgemäße Leitabschnitt kann so zum Wind ausgerichtet werden, dass er zumindest einen Teil des Windes, welcher ohne die Leiteinrichtung auf die Gegenwindseite des Rotors treffen würde, in Richtung des Strömungskorridors ablenkt, also in Richtung der „Windseite“ des Rotors. Dies hat eine zweifach positive Wirkung. Zum einen trifft auf der Gegenwindseite weniger Wind auf den Rotor, so dass das der Drehung entgegenwirkende Drehmoment verringert wird. Hinzu kommt, dass der abgelenkte Teil des Windes durch die Einleitung in den Strömungskorridor nun zur Energiegewinnung zur Verfügung steht und das resultierende Drehmoment weiter erhöht wird.
Der Leitabschnitt ist erfindungsgemäß so angeordnet, dass er in eine gedachte Bewegungsbahn der in der ausgeklappten Position befindlichen Flügelelemente hineinragt. Eine gedachte Bewegungsbahn der in der ausgeklappten Position befindlichen Flügelelemente ist eine Bewegungsbahn, welche die Flügelelemente ausführen würden, wenn sie in der ausgeklappten Position eine vollständige Rotordrehung durchlaufen würden. Es käme in diesem (gedachten) Fall zu einem Zusammenstoß zwischen dem Flügelelement und dem Leitabschnitt, da letzterer ja in diese gedachte Bahn hineinragt. Im Betrieb können die Flügelelemente durch ein Einklappen derselben ohne Zusammenstoß am Leitabschnitt vorbeigeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Windleiteinrichtung relativ zur Windrichtung ausrichtbar ausgebildet. Die Windleiteinrichtung kann insbesondere um die vertikale Achse des Rotors drehbar gelagert sein. Durch diese Ausgestaltung kann die Windleiteinrichtung so zur Windrichtung ausgerichtet werden, dass der Leitabschnitt auf der Gegenwindseite des Rotors angeordnet ist und der Strömungskorridor bzw. ein Eingang des Strömungskorridors auf der Windseite des Rotors.
In einer bevorzugten Ausführungsform bilden eine radial innen liegende Kontur des Leitabschnitts und eine radial außen liegende Kontur eines in der eingeklappten Position befindlichen Flügelelements zwischen einander einen Spalt, wenn das eingeklappte Flügelelement entlang des ersten Umfangsabschnitts am Leitabschnitt vorbeiläuft. Der Spalt sollte möglichst klein sein, um eine Abdichtung des Systems zu erreichen. In der Praxis kann die Größe des Spalts mit der Größe der Windkraftanlage variieren und beispielsweise zwischen 0,1 cm und 20 cm, vorzugsweise zwischen 0,5 cm und 10 cm liegen.
Die Flügelelemente weisen vorzugsweise jeweils ein erstes Längsende auf, wobei die Flügelelemente jeweils im Bereich des ersten Längsendes durch eine Gelenkverbindung mit dem Rotor verbunden sind. Die Gelenkverbindung befindet sich weiter vorzugsweise an einem radial außen liegenden Abschnitt des Rotors. Wenn die Gelenkverbindung ein Längsende des Flügelelements mit einem äußeren Abschnitt des Rotors verbindet, kann das dem ersten Längsende gegenüberliegende Längsende des Flügelelements in der ausgeklappten Position eine möglichst große Spannweite auf, während das Flügelelement in der eingeklappten Position nach am Rotor anliegen kann. In der ausgeklappten Position kann das Drehmoment dadurch maximiert werden, während der Raumbedarf für das eingeklappte Flügelelement (in radialer Richtung betrachtet) minimiert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Außenkontur des Rotors in Drehrichtung betrachtet vor der Gelenkverbindung eine radial nach innen gewölbte Aussparung aufweist. Wenn der Bereich der Aussparung am Leitabschnitt vorbeiläuft, vergrößert sich der Abstand zwischen Leitabschnitt und Rotor, so dass ein größerer Luftstrom auf der Gegenwindseite am Rotor vorbeiströmen kann. Es wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass dies die Energieaufnahme des Rotors positiv beeinflusst, da durch den vergrößerten Luftstrom ein Unterdruck erzeugt wird, welcher einerseits den Schließvorgang des zuklappenden Flügelelements nicht behindert, und das andererseits das auf den Rotor wirkende Drehmoment erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Flügelelemente im Querschnitt eine Kontur auf, welche in einem in Drehrichtung hinter der Gelenkverbindung liegenden Bereich im Wesentlichen mit einer Außenkontur des Rotors korrespondiert, so dass die Flügelelemente in der eingeklappten Position im Wesentlichen bündig an den Rotor anlegbar sind. Die Querschnittsebene steht dabei senkrecht zur Vertikalen. Durch ein bündiges Anliegen der Flügelelemente kann der Platzbedarf der Flügelelemente in der eingeklappten Position minimiert werden. Gleichzeitig kann der Leitabschnitt der Windleiteinrichtung in Radialrichtung möglichst nach an den Rotor herangeführt werden, ohne dass die eingeklappten Flügelelemente an den Leitabschnitt stoßen. Dadurch kann ein möglichst großer Teil des auf die Gegenwindseite treffenden Luftstroms abgelenkt und in den Strömungskorridor geleitet werden.
Bevorzugt umfasst die Windkraftanlage eine Klappvorrichtung für die Flügelelemente, welche dazu ausgebildet ist, die Flügelelemente vor und/oder während dem Durchlaufen des ersten Umfangsabschnitts in die eingeklappte Position zu bewegen. Das Einklappen der Flügelelement erfolgt weiter bevorzugt so, dass die Flügelelemente nicht gegen den Leitabschnitt stoßen. Der Einklappvorgang kann sich beispielsweise über eine Viertelumdrehung des Rotors erstrecken. Die Klappvorrichtung ist vorzugsweise außerdem dazu ausgebildet, die Flügelelemente nach dem Durchlaufen des ersten Umfangsabschnitts in die ausgeklappte Position zu bewegen. Der Ausklappvorgang kann sich beispielsweise ebenfalls über eine Viertelumdrehung des Rotors erstrecken.
In einer bevorzugten Ausführungsform bildet der Strömungskorridor bezogen auf die vertikale Drehachse eine radial außen liegende Begrenzung für die durch den Strömungskorridor strömende Luft. Der auf die Windkraftanlage treffende Luftstrom kann somit zwischen dem Rotor und der Begrenzung am Rotor vorbeiströmen. Die Begrenzung kann eine im Wesentlichen teilzylinderförmige Bewandung aufweisen, die mit der Bewegungsbahn der äußeren Enden der Flügelelemente korrespondiert, wenn diese sich in der ausgeklappten Position durch den Strömungskorridor bewegen. Die Flügelelemente füllen den Strömungskorridor bei dieser Ausgestaltung aus, so dass der in den Strömungskorridor eintretende Luftstrom im Wesentlichen vollständig zum Antrieb des Rotors ausgenutzt wird.
Der zweite Umfangsabschnitt, in dem der Strömungskorridor angeordnet ist, kann sich über einen Winkelbereich von mindestens 45°, vorzugsweise mindestens 90° und weiter vorzugsweise mindestens 120° erstrecken. Der Luftstrom wird auf diese Weise über einen großen Winkelbereich um den Rotor herumgeführt und während der durchlaufenden Strecke vollständig zum Antrieb des Rotors ausgenutzt.
Die Stützkonstruktion weist in einer vorteilhaften Ausführungsform einen vertikalen und im Querschnitt vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmigen Mast auf, wobei der Rotor eine Außenseite des Masts umfänglich umgibt. Der Mast kann insbesondere zylinderförmig ausgebildet sein. In diesem Fall kann ein ebenfalls zylinderförmig ausgebildeter Rotor an einer Außenseite des Masts drehbar gelagert sein, so dass eine vertikale Achse des Masts mit der Drehachse des Rotors übereinstimmt. In dem Mast können sich beispielsweise ein Aufzug oder ein oder mehrere Zugänge zum Inneren der Windkraftanlage befinden. Die Stützkonstruktion kann außerdem eine äußere Stahlträgerkonstruktion aufweisen. Die Stahlträgerkonstruktion kann mit dem zentralen Mast verbunden sein und der Windkraftanlage Stabilität geben. Zudem kann die Stahlträgerkonstruktion dazu eingerichtet sein, die Windleiteinrichtung zu tragen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Anordnung aus einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Windkraftanlagen, wobei die Windkraftanlagen übereinander angeordnet sind und sich zwischen zwei benachbarten Windkraftanlagen jeweils eine Zwischenebene befindet, die den Strömungskorridor benachbarter Windkraftanlagen nach oben bzw. unten begrenzt. Die Stützkonstruktion benachbarter Windkraftanlagen kann miteinander verbunden sein. Insbesondere können die zentralen Masten einen durchgängigen zentralen Mast bilden. Durch das Übereinandersetzen einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Windkraftanlagen kann noch oben hin eine deutlich größere Fläche abgeerntet werden, wobei die dazu notwendige Bodenfläche nicht oder nur unwesentlich vergrößert werden muss.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1: eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung umfassend eine Mehrzahl von übereinander angeordneten erfindungsgemäßen Windkraftanlagen;
2: eine horizontale Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Windkraftanlage der 1 in einem ersten Betriebszustand;
3: eine horizontale Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Windkraftanlage der 2 in einem ersten Betriebszustand;
4: eine horizontale Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Windkraftanlage der 2 in einem zweiten Betriebszustand;
5: eine horizontale Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Windkraftanlage der 2 in einem dritten Betriebszustand;
6: eine horizontale Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage.

1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung 13 umfassend eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Windkraftanlagen 14, welche übereinander gestapelt angeordnet sind. Zwischen den Windkraftanlagen 14 sind Zwischenebenen 15 angeordnet. Am unteren Ende der Anordnung befindet sich eine Fundamentebene 18. Die Windkraftanlagen 14 bilden zusammen mit der Fundamentebene 18 und den Zwischenebenen 15 einen im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Turm 42. An der Außenseite des Turms 42 ist ein Windfangsegel 22 angeordnet.
Im Zentrum des Turms 42 befindet sich ein zentraler zylinderförmiger Mast 17 welcher sich durchgängig von der Fundamentebene 18 bis zur oberen Windkraftanlage 14 erstreckt und einen Teil einer Stützkonstruktion bildet. Die Stützkonstruktion umfasst zudem eine Stahlträgerkonstruktion, welche in 1 nicht gezeigt ist. Am Mast 17 sind Rotoren der einzelnen Windkraftanlagen 14 drehbar gelagert (in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht gezeigt), so dass die vertikale Achse des Masts 17 mit der Drehachse der Rotoren übereinstimmt. An den Rotoren sind in 1 ebenfalls nicht gezeigte Flügelelemente befestigt.
In der Fundamentebene 18 befindet sich ein zentraler Zugang 19 zum Inneren des Masts 17. Innerhalb des Masts 17 befindet sich ein Aufzug, mit dem Zugänge 20 zu den Zwischenebenen 15 erreicht werden können. In den Zwischenebenen 15 sind außerdem Generatoren 21 angeordnet, welche zur Erzeugung elektrischer Energie dienen und welche durch die Rotoren angetrieben werden.
Die Windkraftanlagen 14 weisen jeweils eine Windleiteinrichtung 16 auf, die die jeweiligen Rotoren umfänglich zumindest teilweise umgibt. In 1 sind die Windleiteinrichtungen 16 schematisch jeweils in mehrere vertikal nebeneinander angeordnete Bereiche unterteilt. Diese Bereiche werden nachfolgend in 2 näher erläutert.
Die Windleiteinrichtung 16 sowie das Windfangsegel 22 sind in 1 zu einer angenommenen Windrichtung ausgerichtet, welche senkrecht zur Zeichenebene in Blickrichtung auf die Anordnung ausgerichtet ist. Die Anordnung umfasst dazu ein in den Figuren nicht gezeigtes Windnachführsystem, welches dazu ausgebildet ist, diese Ausrichtung entsprechend vorzunehmen. Der Wind trifft auf das Windfangsegel 22 sowie die Windleiteinrichtung 16 und wird dadurch in Richtung der zentralen Achse der Anordnung auf die dort befindlichen Rotoren gelenkt, welche dadurch in Rotation versetzt werden, um die Generatoren 21 anzutreiben. Auch dies wird nachfolgend in Verbindung mit 2 näher erläutert.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der 1, in dem eine der dort gezeigten Windkraftanlagen 14 im Detail zu sehen ist. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass ein Rotor 23 den Mast 17 umfänglich umgibt. Zudem ist zu sehen, dass die Windleiteinrichtung 16 auf der linken Seite des Rotors 23, welche vorliegend die Gegenwindseite des Rotors ist, einen Leitabschnitt 24 aufweist. Der Leitabschnitt 24 reicht in Radialrichtung so nah an den Rotor 23 heran, dass zwischen Leitabschnitt 24 und Rotor 23 lediglich ein kleiner Spalt 27 verbleibt. Der Spalt hat vorliegend eine Ausdehnung in Radialrichtung von etwa 2 cm.
Auf der rechten Seite, welche vorliegend die „Windseite“ des Rotors 23 ist, bildet die Windleiteinrichtung 16 einen Strömungskorridor 25, durch den der Luftstrom hindurchtreten und umfänglich am Rotor 23 vorbeiströmen kann. Der Strömungskorridor 25 wird seitlich durch einen Seitenteil 26 der Windleiteinrichtung 16 begrenzt. Nach oben und unten wird der Strömungskorridor 25 durch benachbarte Zwischenebenen 15 begrenzt, von denen in 2 nur eine gezeigt ist.
Der Rotor 23 umfasst eine in 2 nicht gezeigte Rotornabe sowie Flügelelemente, welche an der Rotornabe um eine vertikale Achse drehbar gelagert sind. Die Flügelelemente können aufgrund der drehbaren Lagerung von einer eingeklappten Position, in der sie im Wesentlichen bündig an einer äußeren Kontur der Rotornabe anliegen, und einer ausgeklappten Position, in der sie in Radialrichtung maximal von der Rotornabe abragen, bewegt werden.
In der ausgeklappten Position durchstreifen die Flügelelemente den Strömungskorridor 25, wobei die Flügelelemente dabei im Wesentlichen den gesamten Querschnitt des Strömungskorridors ausfüllen. In der eingeklappten Position liegen die Flügelelemente an der Rotornabe an, so dass die Flügelelemente am Leitabschnitt 24 vorbeigeführt werden können.
Durch den Leitabschnitt 24 wird der auf die Gegenwindseite des Rotors treffende Luftstrom in Richtung des Strömungskorridors 25 abgelenkt, so dass auf der Gegenwindseite kein oder nur ein geringer Luftstrom am Rotor vorbeitritt, während der durch den Strömungskorridor verlaufende Luftstrom deutlich erhöht wird. Die Energieausbeute der Windkraftanlage wird dadurch stark verbessert.
3 zeigt eine horizontale Querschnittsansicht durch die erfindungsgemäße Windkraftanlage der 2. In dieser Ansicht ist zu sehen, dass das Seitenteil 26 sowie der Leitabschnitt 24 jeweils ein kreisausschnittförmige Außenkontur aufweisen, welche jeweils einen Teil des Turms 42 bildet. Das Seitenteil 26 und der Leitabschnitt 26 sind auf die kreisförmige Zwischenebene 15, welche in 3 gestrichelt angedeutet ist, aufgesetzt. An die in Windrichtung vorderen Enden des Leitabschnitts 24 und des Seitenteils 26 schließen sich die Windleitsegel 22 an.
In dieser Ansicht ist außerdem erkennbar, dass der Rotor 23 eine Rotornabe 27 aufweist, an der die Flügelelemente 28 befestigt sind. Insbesondere ist ein jeweiliges Längsende eines Flügelelements 28 mit Hilfe eines Drehgelenks 29 mit der Rotornabe 27 verbunden. Das Seitenteil 26 der Windleiteinrichtung 16 umgibt den Rotor 23 in einem radialen Abstand über einen Umfangsabschnitt von etwa 180° umfänglich und bildet dadurch einen den Rotor entsprechend umgebenden Strömungskorridor 25. Die Form der radial innenliegenden Bewandung des Seitenteils 26 ist im wesentlichen teilzylinderförmig, bildet also ein Teilsegment eines Zylinders.
Ein entlang einer Windrichtung 33 auf die Windkraftanlage 14 treffender Luftstrom wird über die Windleitsegel 22 sowie den Leitabschnitt 24 in den Strömungskorridor 25 hineingeleitet (siehe Pfeil 31). Ein Flügelelement 28 im Strömungskorridor 25 befindet sich in der ausgeklappten Position, so dass der Luftstrom 31 das Flügelelement 28 und damit den Rotor 23 antreibt. Nachdem das Flügelelement 28 durch den Strömungskorridor 25 hindurch bewegt wurde, verlässt der Luftstrom den Strömungskorridor 25 entlang des Pfeils 32. Am Ausgang des Strömungskorridors 25 können sich an das Seitenteil 26 und den Leitabschnitt 24 weitere Leitsegel oder -bleche 34 anschließen, um den austretenden Luftstrom in einem Korridor zu halten und Verwirbelungen zu vermeiden.
Die Flügelelemente 28 sind über eine nicht gezeigte Klappvorrichtung in die eingeklappte sowie die ausgeklappte Position bewegbar. Die Klappvorrichtung ist dazu ausgebildet, die Flügelelemente 28 nach dem Durchlaufen des Strömungskorridors 25 und vor dem Durchlaufen des Umfangsabschnitts, in dem der Leitabschnitt 24 angeordnet ist, einzuklappen. Der Einklappvorgang erfolgt über etwa eine Viertelumdrehung des Rotors 23. Die Klappvorrichtung ist weiter dazu ausgebildet, die Flügelelemente 28 nach dem Vorbeilaufen am Leitabschnitt 24 in die ausgeklappte Position zu bewegen. Der Ausklappvorgang erstreckt sich ebenfalls über etwa eine Viertelumdrehung des Rotors 23. Die Klappvorrichtung kann durch eine mechanische Kupplung der Flügelelemente oder auch mit Hilfe von ansteuerbaren Motoren realisiert werden.
Die Rotornabe 27 weist in Drehrichtung vor den Gelenkverbindungen 29 angeordnete Aussparungen 30 auf. Die Aussparungen führen dazu, dass sich der Spalt zwischen dem Leitabschnitt 24 und dem Rotor 23 kurz vor dem Vorbeilaufen der Flügelelemente 28 am Leitabschnitt vergrößert, so dass ein etwas größerer Luftstrom 36 mit hoher Geschwindigkeit durch den Spalt hindurchtreten kann. Dies ist in 4 illustriert, in der die Windkraftanlage 14 der 3 in einem anderen Rotationszustand gezeigt ist. Durch den hinter dem Rotor 23 erzeugten Unterdruck kann das Öffnungs- und Schließverhalten der Flügelelemente sowie die Energieausbeute der Windkraftanlage 14 verbessert werden. In dem in 4 gezeigten Zustand trifft außerdem ein weiterer Teil 37 des eintretenden Luftstroms auf das sich öffnendes Flügelelement 28, wobei ein dritter Teil 38 des eintretenden Luftstroms ohne Einwirkung auf das Flügelelement 28 durch den Strömungskorridor 25 hindurchtritt.
5 zeigt die Windkraftanlage der 3 in einem weiteren Rotationszustand, in dem das im Strömungskorridor 25 befindliche Flügelelement 28 nahezu vollständig ausgeklappt ist. Kurz vor dem vollständigen Ausklappen strömt ein Luftstrom 38 mit hoher Geschwindigkeit durch den sich schließenden Spalt zwischen dem äußeren Längsende des Flügelelements und der Bewandung des Seitenteils 26. Der dadurch auf der Rückseite des Flügelelements 28 erzeugte Unterdruck führt ebenfalls zu einer Verbesserung der Laufeigenschaften des Rotors sowie zu einer Verbesserung der Energieausbeute. In 5 ist außerdem anhand der gestrichelten Linien 39 der Winkelabstand zwischen dem Seitenteil 26 und dem Leitabschnitt 24 illustriert, welcher vorliegend etwa 85° beträgt. Der in Umfangsrichtung außen liegende Rand des Seitenteils 26 stellt im Rahmen der Erfindung eine äußere Begrenzung des Strömungskorridors 25 dar, so dass der Winkelabstand zwischen dem Leitabschnitt 24 und dem Strömungskorridor 25 ebenfalls etwa 85° beträgt.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage in einer horizontalen Querschnittsansicht. In dieser Ansicht ist eine beispielhafte Strahlträgerkonstruktion gezeigt, welche einen Teil der Stützkonstruktion bildet. Der Rotor ist der Einfachheit halber in 6 nicht abgebildet. Es ist erkennbar, dass die Stahlträgerkonstruktion einen äußeren Ring von Stahlträgern 40 und einen inneren Ring von Stahlträgern 41 aufweist. Die Stahlträger 40, 41 können insbesondere auf Höhe der Zwischenebenen 15 miteinander sowie mit dem zentralen Mast 17 verbunden sein.

Claims

Windkraftanlage (14) zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie, umfassend eine Stützkonstruktion (17, 40, 41), einen an der Stützkonstruktion um eine im Wesentlichen vertikale Achse drehbar gelagerten Rotor (23) mit wenigstens zwei am Rotor (23) gelagerten Flügelelementen (28), die unter Ausnutzung eines auf die Windkraftanlage treffenden Luftstroms (33) zum Antreiben des Rotors (23) ausgebildet sind und die um eine im Wesentlichen vertikale Achse zwischen einer eingeklappten Position, in der sie dem Wind eine kleinere Angriffsfläche bieten, und einer ausgeklappten Position, in der sie dem Wind eine größere Angriffsfläche bieten, bewegbar sind, wobei die Windkraftanlage (14) eine den Rotor (23) in Umfangsrichtung zumindest teilweise umgebende Windleiteinrichtung (16) aufweist, die in einem ersten Umfangsabschnitt des Rotors einen Leitabschnitt (24) und in einem zweiten, vom ersten verschiedenen Umfangsabschnitt des Rotors einen Strömungskorridor (25) aufweist, durch den der Luftstrom hindurchströmen kann, um den Rotor (23) anzutreiben, wobei der Leitabschnitt (24) dazu ausgebildet ist, den Luftstrom zumindest teilweise in Richtung des Strömungskorridors (25) abzulenken, wobei die Flügelelemente (28) dazu ausgebildet sind, in der ausgeklappten Position in den Strömungskorridor (25) hineinzuragen und wobei der Leitabschnitt (24) in eine gedachte Bewegungsbahn der in der ausgeklappten Position befindlichen Flügelelemente (28) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen Rotationszustand aufweist, bei dem ein Teil (37) des eintretenden Luftstroms auf ein sich öffnendes Flügelelement (28) auftrifft und ein weiterer Teil (38) des eintretenden Luftstroms ohne Einwirkung auf eines der Flügelelemente (28) durch den Strömungskorridor (25) hindurchtritt.
Windkraftanlage gemäß Anspruch 1, bei der die Windleiteinrichtung (16) relativ zur Windrichtung ausrichtbar ausgestaltet ist.
Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der eine radial innen liegende Kontur des Leitabschnitts (24) und eine radial außen liegende Kontur eines in der eingeklappten Position befindlichen Flügelelements (28) zwischen einander einen Spalt (27) bilden, wenn das eingeklappte Flügelelement (28) entlang des ersten Umfangsabschnitts am Leitabschnitt (24) vorbeiläuft.
Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Flügelelemente (28) jeweils ein erstes Längsende aufweisen, wobei die Flügelelemente (28) jeweils im Bereich des ersten Längsendes durch eine Gelenkverbindung (29) mit dem Rotor (23) verbunden sind.
Windkraftanlage gemäß Anspruch 4, bei der die Außenkontur des Rotors (23) in Drehrichtung betrachtet vor der Gelenkverbindung (29) eine radial nach innen gewölbte Aussparung (30) aufweist.
Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei der die Flügelelemente (28) im Querschnitt eine Kontur aufweisen, welche in einem in Drehrichtung hinter der Gelenkverbindung (29) liegenden Bereich im Wesentlichen mit einer Außenkontur des Rotors (23) korrespondiert, so dass die Flügelelemente (28) in der eingeklappten Position im Wesentlichen bündig an den Rotor anlegbar sind.
Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend eine Klappvorrichtung für die Flügelelemente (28), welche dazu ausgebildet ist, die Flügelelemente (28) vor und/oder während dem Durchlaufen des ersten Umfangsabschnitts in die eingeklappte Position zu bewegen.
Windkraftanlage gemäß Anspruch 7, bei der die Klappvorrichtung dazu ausgebildet ist, die Flügelelemente (28) nach dem Durchlaufen des ersten Umfangsabschnitts in die ausgeklappte Position zu bewegen.
Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Strömungskorridor (25) bezogen auf die vertikale Drehachse eine radial außen liegende Begrenzung (26) für die durch den Strömungskorridor (25) strömende Luft bildet.
Windkraftanlage gemäß Anspruch 9, bei der die Begrenzung (26) eine im Wesentlichen teilzylinderförmige Bewandung aufweist, die mit einer Bewegungsbahn der äußeren Enden der Flügelelemente (28) korrespondiert, wenn diese sich in der ausgeklappten Position durch den Strömungskorridor (25) bewegen.
Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der sich der zweite Umfangsabschnitt über einen Winkelbereich von mindestens 45°, vorzugsweise mindestens 90° und weiter vorzugsweise mindestens 120° erstreckt.
Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Stützkonstruktion (17, 40, 41) einen vertikalen im Querschnitt vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmigen Mast (17) aufweist, wobei der Rotor (23) eine Außenseite des Masts (17) umfänglich umgibt.
Anordnung umfassend eine Mehrzahl von Windkraftanlagen (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, welche übereinander angeordnet sind, wobei sich zwischen benachbarten Windkraftanlagen (14) jeweils eine Zwischenebene (15) befindet, die den Strömungskorridor benachbarter Windkraftanlagen nach oben bzw. unten begrenzt.
Anordnung gemäß Anspruch 13, bei der in den Zwischenebenen (15) jeweils zumindest ein Generator (21) angeordnet ist, welcher von einem Rotor (23) einer benachbarten Windkraftanlage (14) antreibbar ist.