DE102021125317A1 - Wind turbine module with improved efficiency - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windturbinenmodul (12) mit einem Gehäuseoberteil (1) und einem gegenüberliegenden Gehäuseunterteil (2), die beabstandet zueinander einen Zwischenraum bilden, in dem zentrisch ein vertikaler Mast (7) mit einer Windturbine (4) mit einem Rotor angeordnet ist, wobei die Windturbine um den Mast drehbar ist,wobei das Gehäuseoberteil (1) zum Zwischenraum hin eine obere Mantelfläche (1a) und das Gehäuseunterteil (2) zum Zwischenraum hin eine untere Mantelfläche (2a) aufweisen und die obere Mantelfläche (1a) von einem äußeren oberen Rand (1b) zum Mast (7) und bis zu einem Rotor-Volumenbereich hin nach unten gewölbt ist und die untere Mantelfläche (2a) von einem äußeren unteren Rand (2b) zum Mast (7) und bis zum Rotor-Volumenbereich nach oben gewölbt ist, wobei die obere (1a) und untere Mantelfläche (2a) zwischen dem oberen (1b) und unteren Rand (2b) einen vertikalen Lufteinlassdurchmesser (D1) und an der Stelle des Masts (7) einen im Vergleich dazu kleineren zentralen Strömungsdurchmesser (D2) bilden.The present invention relates to a wind turbine module (12) with an upper housing part (1) and an opposite lower housing part (2), which form an intermediate space spaced apart from one another, in which a vertical mast (7) with a wind turbine (4) with a rotor is arranged centrally , the wind turbine being rotatable about the mast, the upper housing part (1) having an upper lateral surface (1a) towards the intermediate space and the lower housing part (2) having a lower lateral surface (2a) towards the intermediate space and the upper lateral surface (1a) of a outer upper edge (1b) towards the mast (7) and down to a rotor volume area and the lower lateral surface (2a) from an outer lower edge (2b) towards the mast (7) and up to the rotor volume area curved at the top, the upper (1a) and lower lateral surface (2a) between the upper (1b) and lower edge (2b) having a vertical air inlet diameter (D1) and at the point of the mast (7) a comparatively smaller central flow diameter (D2) form.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windturbinenmodul mit verbessertem Wirkungsgrad nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a wind turbine module with improved efficiency according to the preamble of
Bekannte Windturbinenmodule weisen eine Größe auf und sind so konstruiert, dass sie sich miteinander oder in einem Gerüst verbauen lassen, um so skalierbare Windkraftanlagen zu ermöglichen.Known wind turbine modules are sized and designed to be stacked together or in a scaffold to allow for scalable wind turbines.
Auf Häuserdächern sind die bekannten Anlagen nicht so gut praktikabel, und es wird ein möglichst noch besserer Wirkungsgrad und eine möglichst geringe Geräuschbelästigung gewünscht.The known systems are not so practical on house roofs, and an even better degree of efficiency and the lowest possible noise pollution are desired.
Die Aufgabe der Erfindung, um die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen, besteht daher in der Bereitstellung eines Windturbinenmoduls, das sich möglichst gut mit ebenso gestalteten benachbarten Windturbinenmodulen verbinden lässt und einen möglichst guten Wirkungsgrad und eine möglichst geringe Geräuschentwicklung aufweist.The object of the invention, in order to eliminate the disadvantages of the prior art, is therefore to provide a wind turbine module that can be connected as well as possible to neighboring wind turbine modules of the same design and has the best possible efficiency and the lowest possible noise development.
Die vorstehende Aufgabe wird von einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The above object is solved by a device and a method according to the features of
Erfindungsgemäß wird ein Windturbinenmodul zur Verfügung gestellt, das folgende Merkmale aufweist:
- a) ein Gehäuse aus einem Gehäuseoberteil und einem gegenüberliegenden Gehäuseunterteil, die beabstandet zueinander einen Zwischenraum bilden, in dem zentrisch ein vertikaler Mast und seitlich vertikal mindestens ein Verbindungsteil angeordnet ist, die allesamt mechanisch miteinander verbunden sind, wobei das Gehäuse eine Außenkontur mit mindestens einer mechanischen Befestigungsschnittstelle aufweist und der Zwischenraum als ein Luftkanal ausgebildet ist, der jeweils nach außen offen ist;
- b) eine Windturbine mit einem Statorteil mit Generator und einem Rotor mit mindestens einem Rotorblatt, das um eine Rotorachse drehbar ist, wobei das Statorteil mit dem Mast um dessen Mastachse drehbar verbunden ist, so dass sich das jeweilige Rotorblatt innerhalb eines im Wesentlichen elliptischen Volumenbereichs bewegt; dadurch gekennzeichnet, dass
- c) das Gehäuseoberteil zum Zwischenraum hin eine obere Mantelfläche und das Gehäuseunterteil zum Zwischenraum hin eine untere Mantelfläche aufweisen, die zueinander windkanalmäßig aerodynamisch verlaufen, indem die obere Mantelfläche von einem äußeren oberen Rand zum zentrisch angeordneten Mast und bis zum elliptischen Volumenbereich des jeweiligen Rotorblatts hin nach unten gewölbt ist und die untere Mantelfläche von einem äußeren unteren Rand zum zentrisch angeordneten Mast und bis zum elliptischen Volumenbereich der Rotorblätter hin nach oben gewölbt ist, wobei in einer vertikalen Ebene, in der der Mast liegt, gesehen, die obere und untere Mantelfläche zwischen dem oberen und unteren Rand einen vertikalen Lufteinlassdurchmesser und an der Stelle des Masts einen im Vergleich zum vertikalen Lufteinlassdurchmesser kleineren zentralen Strömungsdurchmesser bilden, so dass eine einströmende Luft zum elliptischen Volumenbereich hin konzentriert oder beschleunigt und der Wirkungsgrad des Windturbinenmoduls dadurch verbessert wird.
- a) a housing consisting of a housing upper part and an opposite housing lower part, which form an intermediate space at a distance from one another, in which a vertical mast is arranged centrally and at least one connecting part is arranged vertically on the side, all of which are mechanically connected to one another, the housing having an outer contour with at least one mechanical Has attachment interface and the gap is formed as an air duct, each of which is open to the outside;
- b) a wind turbine with a stator part with a generator and a rotor with at least one rotor blade which can be rotated about a rotor axis, the stator part being connected to the mast so that it can be rotated about its mast axis, so that the respective rotor blade moves within an essentially elliptical volume area ; characterized in that
- c) the upper housing part has an upper lateral surface towards the intermediate space and the lower housing part has a lower lateral surface towards the intermediate space, which run towards one another aerodynamically in the manner of a wind tunnel, in that the upper lateral surface extends from an outer upper edge to the centrally arranged mast and up to the elliptical volume area of the respective rotor blade is arched at the bottom and the lower lateral surface leaves from an outer lower edge to the centrally arranged mast and up to the elliptical volume area of the rotor It is arched upwards from behind, seen in a vertical plane in which the mast lies, the upper and lower lateral surface between the upper and lower edge has a vertical air inlet diameter and, at the point of the mast, a central flow diameter that is smaller than the vertical air inlet diameter form, so that an inflowing air is concentrated or accelerated towards the elliptical volume area and the efficiency of the wind turbine module is thereby improved.
Um die einströmende Luft zum elliptischen Volumenbereich hin zu konzentrieren oder zu beschleunigen, sind die obere und die untere Mantelfläche so ausgebildet, dass der zentrale Strömungsdurchmesser kleiner als der vertikale Lufteinlassdurchmesser ist. In anderen Worten bilden die untere Mantelfläche und die obere Mantelfläche vom äußeren unteren und oberen Rand zum elliptischen Volumenbereich hin zumindest teilweise einen Trichter, durch den die Luft beschleunigt und verdichtet wird. Im Vergleich zu einer Windturbine mit dem Rotor mit einem fest dazu ausgebildeten Trichter, dessen Mantelfläche sich mit der Rotorachse mit dreht, ist beim erfindungsgemäßen Windturbinenmodul der Trichter, der teilweise durch die obere und untere Mantelfläche gebildet wird, nach allen horizontalen Seiten offen, so dass sich der Rotor darin immer nach einer Windrichtung ausrichten kann.In order to concentrate or accelerate the inflowing air towards the elliptical volume area, the upper and lower shell surfaces are designed in such a way that the central flow diameter is smaller than the vertical air inlet diameter. In other words, the lower lateral surface and the upper lateral surface at least partially form a funnel from the outer lower and upper edge towards the elliptical volume area, through which the air is accelerated and compressed. In comparison to a wind turbine with a rotor with a fixed funnel, the lateral surface of which rotates with the rotor axis, the funnel in the wind turbine module according to the invention, which is partially formed by the upper and lower lateral surface, is open on all horizontal sides, so that the rotor can always align itself with one wind direction.
Bevorzugt sind obere und untere Mantelfläche so ausgebildet, dass eine Windeinlassrichtung für das Windturbinenmodul von allen Seiten erfolgen kann. Es ist aber auch vorstellbar, dass die obere und untere Mantelfläche ausgebildet sind, nur einen horizontalen Bereich von 60° als Windeinlassrichtung zuzulassen. Alternativbevorzugt können die obere und untere Mantelfläche ausgebildet sein, einen horizontalen Bereich von 90° als Windeinlassrichtung zuzulassen, wobei gegenüberliegende Seitenwände rechts und links zur Windeinlassrichtung geschlossen ausgebildet sind, wobei eine zwischen liegende Frontalseite und eine Rückseite offen sind und eine Trichterfom zum zentralen Bereich ihn aufweisen.The upper and lower lateral surfaces are preferably designed in such a way that the wind inlet direction for the wind turbine module can take place from all sides. However, it is also conceivable that the upper and lower lateral surface are designed to allow only a horizontal range of 60° as the wind inlet direction. Alternatively, the upper and lower lateral surfaces can preferably be designed to allow a horizontal range of 90° as the wind inlet direction, with opposite side walls being closed to the right and left of the wind inlet direction, with an intermediate front side and a rear side being open and having a funnel shape to the central area .
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Windturbinenmoduls mit der oberen und der unteren Mantelfläche wird aus der einströmenden Luft ein beschleunigter Luftstrom erzeugt, der einerseits einen höheren Wirkungsgrad an der Turbine erzeugt, andererseits werden in Bereichen kurzer Abstände von Rotorenden zu den Mantelflächen auch Luftturbulenzen schneller abgebrochen, so dass dabei neben dem besseren Wirkungsgrad auch weniger Geräusche entstehen. Gerade auf Hausdächern von Wohnhäusern ist die Geräuschverminderung extrem wichtig und ein guter Fortschritt. Und wie oben beschrieben, ist das Windturbinenmodul nicht nur auf eine frontale Windrichtung ausgelegt, sondern es ermöglicht der Windturbine sich innerhalb eines Windkanals, der durch die obere und untere Mantelfläche gebildet wird, um die Mastachse zu drehen und zum Wind hin auszurichten.The design of the wind turbine module according to the invention with the upper and lower lateral surface generates an accelerated air flow from the inflowing air, which on the one hand generates a higher degree of efficiency in the turbine, and on the other hand air turbulence is also broken off more quickly in areas of short distances between the rotor ends and the lateral surfaces that, in addition to the better efficiency, less noise is also generated. Noise reduction is extremely important and a good step forward, especially on the roofs of residential buildings. And as described above, the wind turbine module is not only designed for a frontal wind direction, but also allows the wind turbine to rotate around the mast axis and align with the wind within a wind tunnel formed by the upper and lower shell surface.
Bevorzugt sind das Gehäuse aus dem Gehäuseoberteil und dem gegenüberliegenden Gehäuseunterteil und der vertikale Mast und das seitliche mindestens eine Verbindungsteil allesamt starr miteinander verbunden, wobei die starre Verbindung auch Dämpfungselemente aufweisen kann. Bevorzugt weist das Gehäuse zur Windturbine hin Dämpfungselemente auf, wie beispielsweise Gummielemente oder Schubkolbendämpfer, um eine Schwingung zu einer Befestigungsstruktur zu dämpfen, an der das Windturbinenmodul befestigt ist.The housing consisting of the housing upper part and the opposite housing lower part and the vertical mast and the lateral at least one connecting part are preferably all rigidly connected to one another, with the rigid connection also being able to have damping elements. Preferably, the housing has damping elements towards the wind turbine, such as rubber elements or thrust piston dampers, in order to dampen vibration to a mounting structure to which the wind turbine module is attached.
Bevorzugt hat das Gehäuse aus dem Gehäuseoberteil und dem gegenüberliegenden Gehäuseunterteil eine kubische oder quaderförmige Außenkontur, die als modulare Elemente bekannt sind, gut miteinander verbindbar zu sein. Die mechanische Befestigungsschnittstelle dient zu einer Befestigung des Windturbinenmoduls beispielsweise mit einer Wand, einem Gerüst oder einem benachbarten Windturbinenmodul. Dabei kann die mechanische Befestigungsschnittstelle alle Formen und Arten aufweisen, die im Stand der Technik bekannt sind, wie beispielsweise Löcher und Schrauben oder Nieten, oder/und Nuten und Fugen, oder/und ineinander-steckbare Teile. Bevorzugt weist die mechanische Befestigungsschnittstelle Verbindungselemente auf, die ausgebildet sind, das Windturbinenmodul vorbestimmt genügend fest zu halten, so dass es auf Dächern von Gebäuden installierbar ist und/oder in einer Reihe anderer Windturbinenmodule genügend fest mit diesen verankerbar ist.Preferably, the housing consisting of the housing upper part and the opposite housing lower part has a cubic or cuboid outer contour, which are known as modular elements so that they can be easily connected to one another. The mechanical attachment interface serves to attach the wind turbine module to a wall, a framework or an adjacent wind turbine module, for example. The mechanical attachment interface can have all forms and types that are known in the prior art, such as holes and screws or rivets, and/or grooves and joints, and/or parts that can be plugged into one another. Preferably, the mechanical attachment interface comprises fasteners configured to predeterminedly hold the wind turbine module firmly enough to be installable on top of buildings and/or anchored to a variety of other wind turbine modules.
Bevorzugt umfasst das seitlich vertikale mindestens eine Verbindungsteil an jeder äußersten vertikalen Seite mindestens eine Strebe und/oder eine monolithische Struktur, die zwischen den Streben seitliche Öffnungen aufweist, um dem Gehäuse durch die Streben oder die mindestens eine Strebe eine ausreichende Stabilität zu verleihen.Preferably, the laterally vertical at least one connecting part comprises at least one strut on each outermost vertical side and/or a monolithic structure which has lateral openings between the struts in order to give the housing sufficient stability through the struts or the at least one strut.
Bevorzugt umfassen das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil jeweils eine Struktur aus Verbindungsstreben und Einsätzen, die die jeweilige obere und untere Mantelfläche aufweisen.Preferably, the upper housing part and the lower housing part each comprise a structure of connecting struts and inserts, which have the respective upper and lower lateral surface.
Bevorzugt ist die obere Mantelfläche vom äußeren oberen Rand zum zentrisch angeordneten Mast hin im Wesentlichen kegelstumpfförmig nach unten gewölbt. Und ebenso bevorzugt ist die untere Mantelfläche vom äußeren unteren Rand zum zentrisch angeordneten Mast hin im Wesentlichen kegelstumpfförmig nach oben gewölbt. An einer oberen Wölbung der unteren Mantelfläche und an einer unteren Wölbung der oberen Mantelfläche, jeweils nahe dem Mast, ist bevorzugt eine kreisscheibenförmige Fläche ausgebildet.The upper lateral surface is preferably curved downwards from the outer upper edge towards the centrally arranged mast in a substantially truncated cone shape. And just as preferably, the lower lateral surface is curved upwards from the outer lower edge towards the centrally arranged mast, essentially in the shape of a truncated cone. At an upper curvature of the lower lateral surface and at a lower curvature of the upper lateral surface, in each case near the mast, a circular disk-shaped surface is preferably formed.
Bevorzugt ist der vertikale Lufteinlassdurchmesser in einem horizontalen Bereich von 60° um mindestens 10% größer als der zentrale Strömungsdurchmesser.Preferably, the vertical air inlet diameter is at least 10% larger than the central flow diameter in a horizontal range of 60°.
Bevorzugt ist der vertikale Lufteinlassdurchmesser allseitig, d.h.in einem horizontalen Bereich von 360°, um mindestens 10% größer ist als der zentrale Strömungsdurchmesser.Preferably, the vertical air inlet diameter is at least 10% larger than the central flow diameter on all sides, i.e. in a horizontal range of 360°.
Bevorzugt ist der vertikale Lufteinlassdurchmesser allseitig um mindestens 20% größer als der zentrale Strömungsdurchmesser.The vertical air inlet diameter is preferably at least 20% larger on all sides than the central flow diameter.
Bevorzugt liegt die Rotorachse in einer horizontalen Ebene +/-10°.The rotor axis preferably lies in a horizontal plane +/-10°.
Zur Klarheit hat der elliptische Bereich genau genommen einen Querschnitt um die Achse des Masts, der außen rechts und links einen Halbkreis mit einem Radius des Rotors beschreibt, wobei der rechte und linke Halbkreis von einem zentralen oberen und unteren kreisförmigen Plateau geschlossen werden, wie der Fachmann weiß. Der Volumenbereich kommt durch die rotierenden Rotorblätter zustande, wenn diese rotieren und die Windturbine sich dabei langsam um die Mastachse dreht.For the sake of clarity, the elliptical area has, strictly speaking, a cross section around the axis of the mast, which describes a semicircle with a radius of the rotor on the outside right and left, the right and left semicircles being closed by a central upper and lower circular plateau, as those skilled in the art will white. The volume area is created by the rotating rotor blades when they rotate and the wind turbine rotates slowly around the mast axis.
Bevorzugt kann der Rotor ein oder mehrere Rotorblätter aufweisen.The rotor can preferably have one or more rotor blades.
Bevorzugt weist das jeweilige Rotorblatt an einem äußeren Ende ein Winglet auf. Bevorzugt ist das Winglet am äußeren Ende des jeweiligen Rotorblatts in einem vorbestimmten Winglet-Winkel zur Längsachse des Rotorblatts abgewinkelt, der 90° +/- 5° beträgt.The respective rotor blade preferably has a winglet at an outer end. The winglet is preferably angled at the outer end of the respective rotor blade at a predetermined winglet angle to the longitudinal axis of the rotor blade, which is 90°+/-5°.
Bevorzugt weist das jeweilige Winglets eine vorbestimmte Winglet-Länge auf, die bevorzugt in Bezug zu einer Länge des Rotorblatts zwischen 0 - 1 % oder zwischen 1 % - 2,5% oder zwischen 2,5% - 5% oder mehr als 5% beträgt.The respective winglet preferably has a predetermined winglet length, which is preferably between 0-1% or between 1%-2.5% or between 2.5%-5% or more than 5% in relation to a length of the rotor blade .
Bevorzugt ist das jeweilige Winglet zur Saugseite bzw. zum Luftauslass hin ausgebildet. Alternativbevorzugt ist das jeweilige Winglet zur Druckseite bzw. zum Lufteinlass hin ausgebildet.The respective winglet is preferably designed towards the suction side or towards the air outlet. Alternatively, the respective winglet is preferably designed towards the pressure side or towards the air inlet.
Bevorzugt sind die obere und untere Mantelfläche im jeweiligen zentralen Bereich an die vorbeibewegten Winglets so angepasst, dass dadurch Blattendenwirbel an den Enden der Rotorblätter oder an den Winglets so stark reduziert werden, dass sich dadurch eine Wirkungsgradsteigerung um wenigstens 1% ergibt.The upper and lower lateral surfaces in the respective central area are preferably adapted to the winglets moving past in such a way that blade tip vortices at the ends of the rotor blades or on the winglets are reduced to such an extent that this results in an increase in efficiency of at least 1%.
Ein besonderer Vorteil der Winglets besteht darin, dass dadurch turbulente Blattendenwirbel im Bereich der Winglets und zwischen den Winglets und dem zentralen Bereich der jeweiligen oberen oder unteren Mantelfläche schneller abklingen und weniger Geräusch dabei entsteht. Der Vorteil liegt in einer dadurch bedingten höheren Effizienz der Windturbine und in der geringeren Geräuschbelästigung im Vergleich mit der gleichen Windturbine ohne Winglets.A particular advantage of the winglets is that turbulent blade tip vortices in the area of the winglets and between the winglets and the central area of the respective upper or lower lateral surface subside more quickly and less noise is produced. The advantage lies in the resulting higher efficiency of the wind turbine and in the lower level of noise pollution compared to the same wind turbine without winglets.
Bevorzugt ist in der oberen Mantelfläche über dem elliptischen Volumenbereich ein kreisflächenförmiger zentraler Bereich ausgebildet, der zum elliptischen Volumenbereich der Rotorblätter einen kleinsten Spaltabstand aufweist, der beispielsweise kleiner als 80 mm ist, der aber auch kleiner als 70 mm oder kleiner als 60 mm oder 50 mm sein kann. Gleiches gilt für den Spaltabstand der unteren Mantelfläche zum elliptischen Volumenbereich, in dem bevorzugt ein gleicher kreisflächenförmiger zentraler Bereich ausgebildet ist, der zum elliptischen Volumenbereich der Rotorblätter einen kleinsten Spaltabstand aufweist, der beispielsweise kleiner als 80 mm ist, der aber auch kleiner als 70 mm oder kleiner als 60 mm oder 50 mm sein kann.A circular area-shaped central area is preferably formed in the upper lateral surface above the elliptical volume area, which has a smallest gap distance from the elliptical volume area of the rotor blades, which is, for example, less than 80 mm, but also less than 70 mm or less than 60 mm or 50 mm can be. The same applies to the gap distance between the lower lateral surface and the elliptical volume area, in which the same circular area-shaped central area is preferably formed, which has a smallest gap distance from the elliptical volume area of the rotor blades, which is, for example, less than 80 mm, but can also be less than 70 mm or can be smaller than 60 mm or 50 mm.
Bevorzugt ist der der kleinste Spaltabstand kleiner als 50mm oder kleiner als 30 mm oder kleiner als 20 mm oder kleiner als 10 mm. Je kleiner der kleinste Spaltabstand ausgebildet ist, desto höher ist die Beschleunigung der Strömung und desto besser können die Blattendenwirbel unterdrückt werden.The smallest gap distance is preferably less than 50 mm or less than 30 mm or less than 20 mm or less than 10 mm. The smaller the smallest gap distance, the higher the acceleration of the flow and the better the blade tip vortices can be suppressed.
Bevorzugt bildet die obere oder untere Mantelfläche vom jeweiligen Rand auf dem Weg zum jeweiligen zentralen Bereich hin einen Steigungswinkel in Bezug zum kreisflächenförmigen zentralen Bereich, der zwischen 2° und 10° liegt.The upper or lower lateral surface preferably forms an angle of inclination from the respective edge on the way to the respective central area in relation to the central area in the form of a circular area, which angle is between 2° and 10°.
Bevorzugt in der oberen Mantelfläche oder in der unteren Mantelfläche im Wesentlichen Vertiefungen eingebracht sind, die Windgeräusche an der zugehörigen Mantelfläche reduzieren. Bevorzugt sind die Vertiefungen dabei als runde oder ovale lochartige Vertiefungen ausgebildet. Bevorzugt haben die Vertiefungen einen Durchmesser von 5 - 10 mm oder 10 - 20 mm oder größer.Indentations are preferably made in the upper lateral surface or in the lower lateral surface, which reduce wind noise on the associated lateral surface. The indentations are preferably designed as round or oval hole-like indentations. The indentations preferably have a diameter of 5-10 mm or 10-20 mm or larger.
Bevorzugt sind an Außenflächen um das Gehäuse herum Schutzgitter angebracht, die so bemessen sind, um dadurch Vögel oder andere Lebewesen davor zu schützen, in den Zwischenraum zum Rotor zu gelangen.Preferably, protective screens are mounted on external surfaces around the housing, sized to thereby protect birds or other creatures from entering the space between the rotor.
Bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung sind in nachfolgenden Zeichnungen und in einer detaillierten Beschreibung dargestellt, sie sollen aber die vorliegende Erfindung nicht ausschließlich darauf begrenzen.Preferred embodiments according to the present invention are illustrated in the following drawings and detailed description, but are not intended to limit the present invention solely thereto.
Es zeigen
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1 eine perspektivische Front-Seitenansichtsskizze einer bevorzugten Ausführungsform eines Windturbinenmoduls mit einem Gehäuse aus einem Gehäuseoberteil und einem gegenüberliegenden Gehäuseunterteil, die beabstandet zueinander einen Zwischenraum bilden, in dem zentrisch ein vertikaler Mast und seitliche Verbindungsteile angeordnet sind, die allesamt miteinander verbunden sind; in dem Zwischenraum ist mit dem Mast eine Windturbine mit einem Rotor mit zwei Rotorblättern verbunden; Enden der Rotorblätter beschrieben bei einem Drehen um eine Rotorachse einen gestrichelten Kreis; -
2 eine perspektivische Skizze als Front-Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform des Windturbinenmoduls gemäß1 und2 mit dem Gehäuse, das nahe der Mitte geschnitten ist; -
3 eine Seitenansichtsskizze der bevorzugten Ausführungsform des Windturbinenmoduls gemäß1 und 2 , die im Wesentlichen die obere und untere Mantelfläche als Schnittbild und die Windturbine mit dem Rotor dazwischen und mit Luftströmungen und Blattendenwirbeln darstellt; -
4 eine perspektivische Front-Seitenansichtsskizze des Windturbinenmoduls gemäß1 und 2 , das im Wesentlichen nur einen horizontalen strichlierten Bereich für eine Windeinlassrichtung darstellt; -
5 eine Frontansichtsskizze des Windturbinenmoduls gemäß1 und 2 , das im Wesentlichen die obere und untere Mantelfläche als Querschnitt und die Windturbine mit dem Rotor dazwischen darstellt; die Rotorblätter beschreiben eine strichlierte Kreisbahn; -
6 eine Frontansichtsskizze des Windturbinenmoduls einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, deren obere und untere Mantelfläche als Querschnitt und die Windturbine mit dem Rotor dazwischen darstellt; die Rotorblätter beschreiben eine strichlierte Kreisbahn; -
7 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der unteren Mantelfläche; -
8 eine perspektivische Ansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform der unteren Mantelfläche, die zum Rotor hin Vertiefungen aufweist, um eine Geräuschreduzierung zu bewirken; -
9 eine Seitenschnittansicht als Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der oberen Mantelfläche in Bezug zu einem Blattende des Rotorblatts, das mit einem Winglet ausgebildet ist; und -
10 als eine Seitenansichtsskizze eines Gebäudes mit mehreren Windturbinenmodulen auf dessen Dach.
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1 a perspective front side view sketch of a preferred embodiment of a wind turbine module with a housing consisting of a housing upper part and an opposite housing lower part, which form an intermediate space spaced apart from one another, in which a vertical mast and lateral connecting parts are arranged centrally, all of which are connected to one another; in the space, a wind turbine having a rotor with two blades is connected to the mast; Ends of the rotor blades described a dashed circle when rotating about a rotor axis; -
2 Fig. 12 is a front-side perspective sketch of the preferred embodiment of the wind turbine module according to Figs1 and2 with the casing cut near the middle; -
3 a side view sketch of the preferred embodiment of the wind turbine module according to1 and2 Figure 12, which essentially shows the upper and lower mantle surfaces in section and the wind turbine with the rotor in between and with air currents and blade tip vortices; -
4 a front-side perspective view sketch of the wind turbine module according to FIG1 and2 , which essentially represents only a horizontal dashed area for a wind inlet direction; -
5 a front view sketch of the wind turbine module according to FIG1 and2 12, which essentially shows the upper and lower shell surfaces in cross-section and the wind turbine with the rotor in between; the rotor blades describe a dashed circular path; -
6 a front view sketch of the wind turbine module of a second preferred embodiment, which shows the upper and lower shell surface in cross section and the wind turbine with the rotor between them; the rotor blades describe a dashed circular path; -
7 a perspective view of a preferred embodiment of the lower lateral surface; -
8th a perspective view of another preferred embodiment of the lower shell surface, which has indentations towards the rotor in order to bring about a noise reduction; -
9 a side sectional view as a detail of a preferred embodiment of the upper lateral surface in relation to a blade end of the rotor blade, which is formed with a winglet; and -
10 as a side view sketch of a building with several wind turbine modules on its roof.
Detaillierte Beschreibung von AusführungsbeispielenDetailed description of exemplary embodiments
Eine erste Ausführungsform eines Windturbinenmoduls 12 mit verbessertem Wirkungsgrad ist als Skizze in
Im Wesentlichen umfasst das Windturbinenmodul 12 folgendes:
- a) ein Gehäuse aus einem Gehäuseoberteil 1 und einem gegenüberliegenden Gehäuseunterteil 2, die beabstandet zueinander einen Zwischenraum bilden, in dem zentrisch ein vertikaler Mast 7 und seitlich vertikal
mindestens ein Verbindungsteil 3 angeordnet ist, die allesamt mechanisch miteinander verbunden sind. Das Gehäuse weist eine Außenkontur mit mindestens einer mechanischen Befestigungsschnittstelle auf, die beispielsweise in1 am Gehäuseoberteil 1 undam Gehäuseunterteil 2 jeweils acht Verbindungselemente 8 aufweist. Der Zwischenraum ist als ein Luftkanal ausgebildet, der jeweils nach außen offen ist; - b)
eine Windturbine 4 mit einem Statorteil mit Generator und einem Rotor mitmindestens einem Rotorblatt 5, das um eine Rotorachse drehbar ist. Diebevorzugte Ausführungsform nach 1 weist zwei Rotorblätter 5 auf. Das Statorteil ist mit dem Mast 7 um dessen Mastachse drehbar verbunden, so dass sichdas jeweilige Rotorblatt 5 innerhalb eines im Wesentlichen elliptischen Volumenbereichs bewegt;Enden der Rotorblätter 5 beschreiben eine Kreisbahn 5a. Bevorzugt sind an denEnden der Rotorblätter 5Winglets 6 ausgebildet, um einen besseren Wirkungsgrad der Windturbine zu erhalten; - c)
das Gehäuseoberteil 1 weist zum Zwischenraum hin eine obere Mantelfläche 1a auf unddas Gehäuseunterteil 2 weist zum Zwischenraum hin eine untere Mantelfläche 2a auf, die zueinander windkanalmäßig aerodynamisch verlaufen, indem die obere Mantelfläche 1a von einem äußeren oberenRand 1b zum zentrisch angeordneten Mast 7 und bis zum elliptischen Volumenbereich des jeweiligen Rotorblatts 5 hin nach unten gewölbt ist und die untere Mantelfläche 2a von einem äußeren unterenRand 2b zum zentrisch angeordneten Mast 7 und bis zum elliptischen Volumenbereich der Rotorblätter 5 hin nach oben gewölbt ist. Dabei bilden in einer vertikalen Ebene, in der der Mast 7 liegt, dieobere 1a und untere Mantelfläche 2a zwischendem oberen Rand 1b und unterenRand 2b einen vertikalen Lufteinlassdurchmesser D1 und an der Stelle des Masts 7 einen kleineren zentralen Strömungsdurchmesser D2.Durch die obere 1a und untere Mantelfläche 2a, die trichterförmig von außen zu einem Zentrum hin, in dem der Mast 7 sitzt, ausgebildet sind, wird eine einströmende Luft zum elliptischen Volumenbereich hin konzentriert und beschleunigt, und der Wirkungsgrad des Windturbinenmoduls 12 wird dadurch verbessert.
- a) a housing consisting of a housing
upper part 1 and an opposite housinglower part 2, which form an intermediate space spaced apart from one another, in which a vertical mast 7 is arranged centrally and at least one connectingpart 3 is arranged vertically at the side, all of which are mechanically connected to one another. The housing has an outer contour with at least one mechanical attachment interface, which can be found, for example, in1 has eight connectingelements 8 each on theupper housing part 1 and on thelower housing part 2 . The space is formed as an air duct, which is open to the outside; - b) a
wind turbine 4 with a stator part with a generator and a rotor with at least onerotor blade 5 which can be rotated about a rotor axis. The preferred embodiment according to1 has tworotor blades 5 . The stator part is rotatably connected to the mast 7 about its mast axis, so that therespective rotor blade 5 moves within an essentially elliptical volume area; Ends of therotor blades 5 describe acircular path 5a.Winglets 6 are preferably formed at the ends of therotor blades 5 in order to obtain a better efficiency of the wind turbine; - c) the
upper housing part 1 has an upperlateral surface 1a towards the intermediate space and thelower housing part 2 has a lowerlateral surface 2a towards the intermediate space, which run towards one another aerodynamically in a wind tunnel manner in that the upperlateral surface 1a moves from an outerupper edge 1b to the centrally arranged mast 7 and is curved downwards up to the elliptical volume area of therespective rotor blade 5 and the lowerlateral surface 2a is curved upwards from an outerlower edge 2b to the centrally arranged mast 7 and up to the elliptical volume area of therotor blades 5 . This form in a vertical plane in which the mast 7 is located, the upper 1a and lowerlateral surface 2a between theupper edge 1b andlower edge 2b has a vertical air inlet diameter D1 and at the point of the mast 7 a smaller central flow diameter D2. Due to the upper 1a and lowerlateral surface 2a, which are funnel-shaped from the outside toward a center in which the mast 7 is seated, an inflowing air is concentrated and accelerated toward the elliptical volume area, and the efficiency of thewind turbine module 12 is thereby improved.
In
Bevorzugt sind obere und untere Mantelfläche so ausgebildet, dass eine Windeinlassrichtung für das Windturbinenmodul 12 von allen Seiten erfolgen kann. Es ist aber auch vorstellbar, dass die obere und untere Mantelfläche ausgebildet sind, nur einen horizontalen Bereich B1 von beispielsweise 60° als Windeinlassrichtung zuzulassen. Solch ein horizontaler Bereich B1 ist zum besseren Verständnis in
In
Zwischen der jeweiligen Mantelfläche 1a, 2a und dem im Wesentlichen elliptischen Volumenbereich des Rotors wird ein zentraler Bereich 10, der ein kreisförmiger Überstreichungsbereich der Rotorblätter darstellt gebildet. Bevorzugt ist der zentrale Bereich 10 eine ebene Kreisfläche. Alternativ bevorzugt kann der zentrale Bereich auch eine konkave Wölbung zum Rotor hin aufweisen. Zwischen dem zentralen Bereich 10 und dem Rotor besteht ein Spaltabstand 9, der bei bevorzugt einer mittigen Anordnung des Rotors zwischen der oberen und unteren Mantelfläche eine Hälfte einer Differenz zwischen dem zentralen Strömungsdurchmesser D2 und dem Rotordurchmesser D3 ist. Über dem zentralen Bereich kann ein Rotorwinkel α des Rotors definiert werden, wie in
In
In
Zur Klarheit werden unter den Merkmalen „oben“ und „unten" relative Ortsangaben in senkrechter Richtung verstanden, so wie in den Figuren dargestellt.For the sake of clarity, the terms "top" and "bottom" are understood to mean relative locations in the vertical direction, as shown in the figures.
Zur Klarheit sei auch angemerkt, dass unbestimmte Artikel in Verbindung mit einem Gegenstand oder Zahlenangaben, wie beispielsweise „ein“ Gegenstand den Gegenstand nicht zahlenmäßig auf genau einen Gegenstand begrenzt, sondern, dass damit gemeint ist, dass mindestens „ein“ Gegenstand damit gemeint ist. Dies gilt für alle unbestimmten Artikel wie beispielsweise „ein“, „eine“ usw.Also, for the sake of clarity, it should be noted that indefinite articles used in conjunction with an item or numerals, such as "an" item, do not numerically limit the item to exactly one item, but rather mean that at least "one" item is meant. This applies to all indefinite articles such as "a", "an" etc.
Es versteht sich, dass wenn ein Element als „auf“ einem anderen Element angebracht, damit „verbunden“, „gekoppelt“ oder „in Kontakt“ zu sein bezeichnet wird, das Element sich dann direkt auf dem anderen Element befinden, damit verbunden oder gekoppelt sein kann, oder dass außerdem dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können, die entweder nur dazwischen liegen oder das Element mit dem anderen Element verbinden oder koppeln oder in Kontakt halten. Wenn hingegen ein Element als „direkt auf“ einem anderen Element, damit „direkt verbunden“, „direkt gekoppelt“ oder „direkt in Kontakt“ bezeichnet wird, ist zu verstehen, dass keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden sind.It is to be understood that when an element is referred to as being "mounted,""connected,""coupled," or "in contact" with another element, then the element is directly on, connected, or coupled to the other element or that there may also be intervening elements that either just intervene or connect or couple or hold the element in contact with the other element. On the other hand, when an element is referred to as being "directly on top of,""directlyconnected,""directlycoupled," or "directly in contact" with another element, it is to be understood that that there are no intervening elements.
Obwohl die Ausdrücke „erstes“, „zweites“ usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche und/oder Abschnitte zu bezeichnen, sind diese Elemente, Komponenten, Bereiche und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke beschränkt. Die Ausdrücke werden nur verwendet, um ein Element eine Komponente, einen Bereich oder Abschnitt von einem anderen Element einer anderen Komponente, einem anderen Bereich oder Abschnitt zu unterscheiden. Daher kann ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich oder Abschnitt, die unten behandelt sind, als zweites Element, zweite Komponente, zweiter Bereich oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.Although the terms "first," "second," etc. may be used herein to denote various elements, components, regions, and/or sections, those elements, components, regions, and/or sections are not limited by those terms. The terms are only used to distinguish one element of one component, area or section from another element of another component, area or section. Therefore, a first element, component, region, or section discussed below may be referred to as a second element, component, region, or section without departing from the teachings of the present invention.
Ausführungsformen der Erfindung sind hierin mit Bezug auf Querschnittsansichten beschrieben, die schematische Darstellungen von Ausführungsformen der Erfindung sind. Daher kann sich die tatsächliche Dicke der Komponenten davon unterscheiden, und Abweichungen von den Formen in den Darstellungen, zum Beispiel aufgrund von Herstellungsverfahren und/oder Toleranzen sind zu erwarten. Ausführungsformen der Erfindung sind nicht als auf die speziellen Formen der hierin dargestellten Bereiche beschränkt zu verstehen, sondern sollen Abweichungen der Formen einschließen, die zum Beispiel aus der Art der Herstellung resultieren. Ein Bereich der als quadratisch oder rechteckig dargestellt oder bezeichnet ist, hat typischerweise auch gerundete oder gekrümmte Merkmale aufgrund normaler Herstellungstoleranzen. Daher sind die in den Figuren dargestellten Bereiche schematischer Art, und ihre Formen dienen nicht dazu die genaue Form eines Bereichs einer Vorrichtung darzustellen oder den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.Embodiments of the invention are described herein with reference to cross-sectional views that are schematic representations of embodiments of the invention. Therefore, the actual thickness of the components may differ, and deviations from the shapes shown, for example due to manufacturing processes and/or tolerances, are to be expected. Embodiments of the invention are not intended to be limited to the specific shapes of portions illustrated herein, but are intended to include variations in shapes resulting, for example, from the manner of manufacture. A portion illustrated or labeled as square or rectangular also typically has rounded or curved features due to normal manufacturing tolerances. Therefore, the portions shown in the figures are schematic in nature and their shapes are not intended to illustrate the exact shape of any portion of an apparatus or to limit the scope of the invention.
Relationsausdrücke, wie zum Beispiel „inneres“, „äußeres“, „oberes“, „über“, „unter“ und unterhalb und ähnliche Ausdrücke können verwendet werden, um eine Beziehung einer Schicht oder eines anderen Bereichs mit einer anderen Schicht oder einem anderen Bereich zu bezeichnen. Es versteht sich, dass diese Ausdrücke verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung zusätzlich zu der Ausrichtung umfassen sollen, die in den Figuren dargestellt ist.Relational expressions such as "inner", "outer", "upper", "above", "below" and below and similar expressions may be used to express a relationship of one layer or other region to another layer or region to call. It should be understood that these terms are intended to encompass different orientations of the device in addition to the orientation depicted in the figures.
Zum Begriff „umfassen“ sei zur Klarheit gesagt, dass wenn ein erster Vorrichtungsteil einen zweiten Vorrichtungsteil umfasst, dies bedeutet, dass der erste Vorrichtungsteil den zweiten Vorrichtungsteil „aufweist“ und nicht notwendigerweise anordnungsmäßig umschließt, wenn es sich nicht beispielsweise um eine Beschreibung einer lagemäßigen und formenmäßigen Anordnung handelt; das Gleiche gilt für ein Verfahren, das einen oder mehrere Verfahrensschritte umfassen kann.For the sake of clarity, the term “comprise” means that when a first device part includes a second device part, this means that the first device part “comprises” the second device part and does not necessarily enclose it in terms of arrangement, unless it is, for example, a description of a positional and formal arrangement; the same applies to a method that can include one or more method steps.
Weitere mögliche Ausbildungsformen sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben. Insbesondere können auch die verschiedenen Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, soweit sie sich nicht technisch ausschließen.Further possible forms of embodiment are described in the following claims. In particular, the various features of the embodiments described above can also be combined with one another, provided they are not technically mutually exclusive.
Die In den Ansprüchen genannten Bezugszeichen dienen nur der besseren Verständlichkeit und beschränken die Ansprüche in keiner Weise auf die in den Figuren dargestellten Formen.The reference signs mentioned in the claims are only for better understanding and in no way limit the claims to the forms shown in the figures.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Gehäuseoberteilhousing top
- 1a1a
- obere Mantelflächeupper surface
- 1b1b
- oberer Randupper edge
- 22
- Gehäuseunterteilhousing base
- 2a2a
- untere Mantelflächelower surface
- 2b2 B
- untere Randlower edge
- 33
- Verbindungsteilconnection part
- 44
- Windturbine mit GeneratorWind turbine with generator
- 55
- Rotorblattrotor blade
- 5a5a
- Kreisbahn (Trajektorie)circular path (trajectory)
- 66
- Wingletwinglets
- 77
- Mastmast
- 88th
- Verbindungselementfastener
- 99
- Spaltabstandgap spacing
- 1010
- zentraler Bereich oder auch Überstreichungsbereichcentral area or sweeping area
- 1111
- Blattendenwirbel der RotorblätterTip vortices of the rotor blades
- 1212
- Windturbinenmodulwind turbine module
- 1313
- Vertiefungenindentations
- 1414
- GebäudeBuilding
- αa
- Rotorwinkel über dem zentralen BereichRotor angle over the central area
- ββ
- Steigungswinkelpitch angle
- B1B1
- horizontaler Bereichhorizontal area
- D1D1
- Einlassdurchmesserinlet diameter
- D2D2
- zentraler Strömungsdurchmessercentral flow diameter
- D3D3
- Rotordurchmesserrotor diameter
- x, y, zx, y, z
- kartesische KoordinatenCartesian coordinates
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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-
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