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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem von einer Anströmung um eine Rotorachse drehbaren und mindestens einen Darrieus-Flügel aufweisenden Darrieus-Rotor.
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Windkraftanlagen werden in ganz verschiedenen Bereichen eingesetzt, um aus Wind elektrische Energie zu erzeugen. Es sind Windkraftanlagen bekannt, die einen Darrieus-Rotor aufweisen, der über eine Anströmung in Drehung um eine Rotorachse versetzt wird, wobei dann aus dieser Drehung mit einem Generator elektrische Energie gewonnen werden kann.
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Um den Darrieus-Rotor durch eine Anströmung um die Rotorachse zu drehen, weisen entsprechende Rotoren in der Regel mindestens einen Darrieus-Flügel auf, der sich im Wesentlichen parallel zu der Rotorachse erstreckt und der den Rotor bei einer Anströmung quer zur Rotorachse um die Rotorachse dreht.
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Zwar lassen sich solche Darrieus-Rotoren bei einer Anströmung quer zur Rotorachse zuverlässig antreiben, allerdings führt eine Anströmung parallel zur Rotorachse nicht zu einer Drehung. Bei einer Anströmung können insofern immer nur die quer zur Rotorachse ausgerichteten Strömungsanteile, nicht jedoch die parallel zur Rotorachse ausgerichteten Strömungsanteile in elektrische Energie umgesetzt werden, so dass ein Teil der Anströmung ungenutzt bleibt.
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Die Erfindung stellt sich davon ausgehend die Aufgabe, eine Windkraftanlage anzugeben, die sich durch eine verbesserte Energieausbeute auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird bei einer Windkraftanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Darrieus-Rotor mindestens einen sich im Wesentlichen quer zur Rotorachse erstreckenden Radialflügel aufweist.
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Über den Radialflügel wird die Möglichkeit geschaffen, auch elektrische Energie aus einer Anströmung bzw. aus dem Anströmungsanteil zu erzeugen, der parallel zur Rotorachse ausgerichtet ist. Durch die Nutzung sowohl der im Hinblick auf die Rotorachse axialen als auch der radialen Strömungsanteile kann somit die Energieausbeute verbessert werden.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Darrieus-Flügel sich im Wesentlichen parallel zur Rotorachse erstreckt. Durch diese Ausgestaltung kann der Darrieus-Flügel und damit auch der Darrieus-Rotor bei einer Anströmung quer zur Rotorachse in Drehung versetzt werden. Es ist dabei jedoch nicht zwingend erforderlich, dass der Darrieus-Flügel sich exakt parallel zu der Rotorachse oder der Radialflügel sich exakt quer zu der Rotorachse erstreckt, sondern es sind auch gewisse Abweichungen im Bereich von insbesondere plus/minus 10 Grad möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Rotorachse horizontal ausgerichtet ist. Da Wind in der Regel parallel zum Boden und insofern in horizontaler Richtung strömt, lässt sich durch die vertikale Ausrichtung der Rotorachse der Darrieus-Flügel durch eine horizontale Anströmung zuverlässig antreiben. Weiterhin ergibt sich durch die vertikale Ausrichtung des Rotors eine optimierte Bauraumnutzung, da die horizontale Grundfläche des Rotors vergleichsweise gering gehalten werden kann. Weiterhin hat eine horizontale Ausrichtung, bspw. im Vergleich zu einer vertikalen Ausrichtung, den Vorteil, dass die Rotorachse feststehend ausgebildet sein kann und es insofern nicht erforderlich ist, die Rotorachse der Anströmung nachzuführen. Der senkrecht zur Rotorachse stehende Anteil der Anströmung kann durch den Darrieus-Flügel zuverlässig in elektrische Energie umgewandelt werden, unabhängig von der Richtung der Anströmung.
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Im Hinblick auf die Anordnung des Darrieus-Flügels hat es sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser von der Rotorachse beabstandet angeordnet ist. Der Darrieus-Flügel kann einen konstanten Abstand zu der Rotorachse aufweisen und bei einer Anströmung somit auf einer kreisförmigen Bahn um die Rotorachse rotieren. Da sich der Darrieus-Flügel parallel zur Rotorachse erstreckt, kann die Bewegung des Darrieus-Flügels die Mantelfläche eines Zylinders beschreiben. In der Praxis hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Durchmesser des Darrieus-Rotors im Bereich zwischen 40 cm und 90 cm, bevorzugt zwischen 50 cm und 80 cm, besonders bevorzugt zwischen 60 cm und 70 cm und insbesondere im Wesentlichen 65 cm beträgt. Aufgrund der Symmetrie kann der Abstand des Darrieus-Flügels von der Rotorachse dem halben Durchmesser entsprechen und insofern insbesondere im Bereich von 32 cm liegen.
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Gemäß einer weiter vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Darrieus-Flügel und der Radialflügel senkrecht zueinander angeordnet sind. Durch die senkrechte Anordnung der beiden Flügel können die voneinander unabhängigen Komponenten der Anströmung, also die radiale oder die axiale Komponente im Hinblick auf die Rotorachse, den Darrieus-Rotor antreiben. Der Darrieus-Flügel kann sich dabei in vertikaler Richtung und der Radialflügel in horizontaler Richtung erstrecken.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Darrieus-Rotor eine konzentrisch zu der Rotorachse angeordnete Rotorwelle aufweist. Die Rotorachse kann der Längsachse der Rotorwelle entsprechen. Wenn der Darrieus-Rotor angetrieben wird, kann sich die Rotorwelle um ihre Längsachse bzw. um die Rotorachse drehen. Die Rotorwelle kann stabförmig ausgestaltet sein, so dass diese bei einer Drehung um die Rotorachse ein möglichst geringes Trägheitsmoment aufweist. Die Rotorwelle kann eine Länge zwischen 70 cm und 150 cm, bevorzugt zwischen 80 cm und 140 cm, besonders bevorzugt zwischen 90 cm und 130 cm, ganz besonders bevorzugt zwischen 100 cm und 120 cm und insbesondere im Wesentlichen 110 cm aufweisen. Wenn sich die Rotorachse in vertikaler Richtung erstreckt, kann die Länge der Rotorachse im Wesentlichen der Höhe des Darrieus-Rotors entsprechen.
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Im Hinblick auf den Darrieus-Flügel hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser über ein Halteelement mit der Rotorwelle verbunden ist. Über das Halteelement kann ein gleichbleibender Abstand des Darrieus-Flügels von der Rotorwelle gewährleistet werden und eine Drehbewegung des Darrieus-Flügels um die Rotorachse kann über das Halteelement auf die Rotorwelle übertragen werden. Über das Halteelement können somit Drehmomente von dem Darrieus-Flügel an die Rotorwelle übertragen werden. Der Darrieus-Flügel und die Rotorwelle können sich aufgrund der Verbindung über das Halteelement gleichläufig drehen. Das Haltelement kann in etwa in einem rechten Winkel zu der Rotorwelle angeordnet sein und sich in radialer Richtung erstecken. Das Halteelement kann von stabförmiger Geometrie sein. Das Halteelement kann im oberen Bereich der Darrieus-Flügel angeordnet sein, insbesondere im oberen Drittel der Darrieus-Flügel. Dies kann für eine gute Stabilität sorgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Darrieus-Flügels wird vorgeschlagen, dass dieser derart ausgebildet ist, dass der Darrieus-Flügel bei einer Anströmung quer zur Rotorachse in Drehung versetzt wird. Durch den Darrieus-Flügel kann somit aus einer Anströmung quer zur Rotorachse zunächst Drehenergie und dann in einem nächsten Schritt elektrische Energie gewonnen werden.
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Um den Darrieus-Flügel bei einer Anströmung entsprechend in Drehung um die Rotorachse zu versetzen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser ein Tragflächenprofil aufweist. Der Darrieus-Flügel kann im Querschnitt dem Flügel eines Flugzeugs ähneln, so dass bei einer Überströmung des Darrieus-Flügels eine Auftriebskraft entsteht, die den Darrieus-Flügel und damit auch den Darrieus-Rotor um die Rotorachse dreht. Das Tragflächenprofil bzw. zumindest die radiale Außenseite des Profils kann in radialer Richtung nach außen gewölbt sein. Vorteilhaft weisen die Innenseite des Darrieus-Flügels , also die der Rotorwelle zugewandte Seite, und die Außenseite des Darrieus-Flügels, also die der Rotorwelle abgewandte Seite, unterschiedliche Wölbungen auf.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Darrieus-Flügel an einem Ende mit einem Winglet versehen ist. Durch das Winglet kann verhindert werden, dass es zu einem Strömungsabriss am Ende des Darrieus-Flügels kommt. Insofern wird die Drehung des Darrieus-Flügels bzw. des Darrieus-Rotors um die Rotorachse vereinfacht und zudem kann durch das Winglet auch die Geräuschentwicklung, insbesondere durch turbulente Strömungen im Endbereich des Darrieus-Flügels, verringert werden. Das Winglet kann sich in radialer Richtung erstrecken und somit im Wesentlichen senkrecht zum Darrieus-Flügel angeordnet sein. In konstruktiver Hinsicht kann es sich bei dem Winglet um ein separates Bauteil handeln, welches mit dem Darrieus-Flügel verbunden werden kann. Alternativ können jedoch der Darrieus-Flügel und das Winglet auch einstückig ausgebildet sein. Das Winglet kann am oberen Ende des Darrieus-Flügels angeordnet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Windkraftanlage mehrere, insbesondere drei, Darrieus-Flügel aufweist, die in einem gleichmäßigen Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Durch mehrere Darrieus-Flügel lässt sich der Darrieus-Rotor bei einer Anströmung effizienter drehen und es kann ein größer Teil der Energie der Anströmung in elektrische Energie umgewandelt werden. In der Praxis hat sich dabei die Verwendung von drei Darrieus-Flügeln als vorteilhaft herausgestellt. Mehrere Darrieus-Flügel führen zu einem höheren Gewicht und können, gerade wenn sich die Größe des Rotors in den oben genannten Grenzen bewegt, zu Turbulenzen führen, die die Drehung negativ beeinflussen können. Drei Darrieus-Flügel können in einem gleichmäßigen Winkelabstand von 120 Grad im Hinblick auf die Rotorachse zueinander angeordnet sein.
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Die vorstehend beschriebenen Weiterbildungen und die damit einhergehenden Vorteile eines einzigen Darrieus-Flügels können auch bei mehreren Darrieus-Flügeln Anwendung finden. Somit kann sich jeder Darrieus-Flügel im Wesentlichen parallel zur Rotorachse erstrecken und über ein Halteelement in einem Abstand zur Rotorwelle angeordnet sein. Wenn alle Darrieus-Flügel denselben Abstand zur Rotorwelle aufweisen, ändert sich die Größe des Darrieus-Rotors durch zusätzliche Darrieus-Flügel nicht. Alle Darrieus-Flügel können insbesondere in ihren jeweiligen oberen Enden mit Winglets ausgestattet sein.
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Weiterhin zeichnet sich ein Darrieus-Rotor insbesondere durch eine Windrichtungsunabhängigkeit aus, so dass keine Windrichtungsnachführung erforderlich ist. Teilweise kann ein Darrieus-Rotor jedoch bei einer Queranströmung nicht selbstständig anlaufen, sondern es kann erforderlich sein, dass dieser bereits eine gewisse Initialdrehgeschwindigkeit aufweist. Diese Initialdrehgeschwindigkeit kann beispielsweise über den Radialflügel bereitgestellt werden, so dass der Darrieus-Rotor über den Radialflügel anlaufen kann und die Darrieus-Flügel dann durch die quer zur Rotorachse ausgerichtete Anströmung weiter angetrieben und beschleunigt werden können. Zudem erlauben der bzw. die Darrieus-Flügel, dass sich der Darrieus-Rotor schneller drehen kann als die Geschwindigkeit der Anströmung quer zur Rotorachse.
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Im Hinblick auf den Radialflügel hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser derart ausgestaltet ist, dass er bei einer Anströmung parallel zur Rotorachse in Drehung versetzt wird. Bei einer entsprechenden Anströmung parallel zur Rotorachse bzw. in Axialrichtung kann der Radialflügel und damit der Darrieus-Rotor um die Rotorachse gedreht werden. Dieses Drehmoment bzw. die Drehenergie kann dann in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Es hat sich im Hinblick auf den Radialflügel weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser mit einer senkrecht zur Rotorachse angeordneten Querebene einen Aufstellwinkel einschließt, wobei der Aufstellwinkel zwischen 10 Grad und 60 Grad, bevorzugt zwischen 20 Grad und 50 Grad, besonders bevorzugt zwischen 30 Grad und 40 Grad, insbesondere im Wesentlichen von 38 Grad, beträgt. Durch diese Ausgestaltung lässt sich der Darrieus-Rotor zuverlässig in Drehung versetzen. Wenn der Aufstellwinkel zu klein ist, ist der Strömungswiderstand zu groß, um den Darrieus-Rotor zu drehen. Wenn der Aufstellwinkel zu groß ist, bleibt ein zu großer Anteil der Anströmung ungenutzt. Die Rotorachse kann in Normalenrichtung zu der Querebene angeordnet sein, so dass eine axiale bzw. eine parallel zur Rotorachse ausgerichtete Anströmung auf den angestellten Radialflügel trifft und diesen insofern in Drehung um die Rotorachse versetzt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Radialflügel mit der Rotorwelle verbunden ist. Über eine entsprechende Verbindung kann eine Drehung des Radialflügels um die Rotorachse in eine Drehung der Rotorwelle umgesetzt werden. Der Radialflügel kann senkrecht zur Rotorwelle angeordnet sein und am in radialer Richtung innenliegenden Ende mit der Rotorwelle verbunden sein. Der Radialflügel ist insbesondere mit dem unteren Endbereich der Rotorwelle verbunden, so dass die parallel zur Rotorachse ausgerichtete Anströmung vor dem Auftreffen auf den Radialflügel nur möglichst geringfügig gestört bzw. abgebremst wird.
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Weiterhin hat es sich im Hinblick auf die Windkraftanlage als vorteilhaft herausgestellt, wenn diese mehrere, insbesondere zwölf, Radialflügel aufweist, die in einem gleichmäßigen Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Durch die mehreren Radialflügel kann die Ausnutzung der Anströmung parallel zur Rotorachse verbessert werden, so dass nur ein geringerer Teil der Anströmung ungenutzt bleibt. Die Radialflügel können nach Art eines Fächers mit der Rotorwelle verbunden sein und sich jeweils in radialer Richtung von der Rotorachse nach außen erstrecken. Im Hinblick auf den Anstellwinkel sowie die Anordnung der mehreren Radialflügel wird auf die vorstehenden Ausführungen zu einem Radialflügel verwiesen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Radialflügel zur Bildung eines Impellers mit einem Impellerring verbunden sind. Der Impellerring kann für eine ausreichende Stabilität der Radialflügel sorgen, so dass verhindert wird, dass sich diese auch bei einer starken Anströmung verbiegen können. Vorteilhaft sind alle Radialflügel mit demselben Impellerring verbunden. Der Impellerring kann konzentrisch zur Rohrachse angeordnet sein, wodurch sich das Trägheitsmoment des Rotors um die Rotorachse nur in geringem Maße vergrößert. Ferner kann der Impellerring auch für verbesserte Strömungsverhältnisse sorgen.
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Im Hinblick auf den Impeller hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Radialflügel an deren radialen Außenseiten mit dem Impellerring verbunden sind. Diese Ausgestaltung sorgt für eine hohe Stabilität der Radialflügel, so dass diese beidseitig fixiert sein können, nämlich radial innen an der Rotorwelle und radial außen an dem Impellerring.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Windkraftanlage wird vorgeschlagen, dass die Darrieus-Flügel an einem Ende mit dem Impellerring verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung wird eine erhöhte Stabilität sichergestellt, so dass sich die Darrieus-Flügel nicht relativ zueinander bewegen können. Weiterhin wird durch den Impellerring auch sichergestellt, dass keine großen Torsionskräfte auf die Halteelemente wirken und diese entsprechend klein dimensioniert sein können. Vorteilhaft sind die Darrieus-Flügel an ihrem unteren Ende mit dem Impellerring verbunden. Der Impellerring kann insofern an dem der Winglets gegenüberliegenden Ende der Darrieus-Flügel angeordnet sein. Die Radialflügel und die Darrieus-Flügel können über den Impellerring miteinander verbunden sein. Eine Relativbewegung der Radialflügel und der Darrieus-Flügel kann nicht möglich sein, sondern der Darrieus-Rotor kann sich stets als komplette Einheit drehen.
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Im Hinblick auf die Materialauswahl hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Rotorwelle aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, besteht. Die Rotorwelle kann das tragende Element des Darrieus-Rotors darstellen, auf der die größten Kräfte lasten und die insofern die höchste Stabilität aufweisen muss. Edelstahl bietet zudem den Vorteil, dass dieser nicht rostet, so dass die Windkraftanlage bzw. der Darrieus-Rotor eine hohe Langlebigkeit aufweist. Es können alternativ jedoch auch andere Materialien, insbesondere solche, die nicht rosten und die sich durch eine hohe Langlebigkeit auszeichnen, verwendet werden.
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Im Hinblick auf die übrigen Teile des Darrieus-Rotors, insbesondere die Radialflügel und/oder die Darrieus-Flügel und/oder die Winglets und/oder den Impellerring und/oder die Halteelemente hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn diese aus einem Kork-Verbundwerkstoff bestehen. Ein entsprechender Kork-Verbundwerkstoff zeichnet sich auf der einen Seite durch eine gute Ökobilanz aus, da es sich um einen nachhaltigen Werkstoff handelt, dieser weist auf der anderen Seite aber zudem eine ausreichende Festigkeit und Stabilität auf. Es ist möglich, dass alle genannten Teile der Windkraftanlage aus einem Kork-Verbundwerkstoff bestehen, gleichwohl können jedoch einzelne oder mehrere Teile auch aus einem anderen Wertstoff bestehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Radialflügel und/oder die Darrieus-Flügel und/oder die Winglets und/oder der Impellerring und/oder die Halteelemente aus einem Kork-Hanf-Verbundwerkstoff bestehen. Gerade die Verbindung von Kork und Hanf hat sich in der Praxis als vorteilhaft herausgestellt, da diese eine ausreichend hohe Stabilität erlauben, gleichzeitig aber ein vergleichsweise geringes Gewicht und eine gute Ökobilanz aufweisen.
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Um aus der Drehbewegung des Darrieus-Rotors bzw. der Rotorwelle elektrische Energie zu gewinnen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Rotorwelle mit einem Generator verbunden ist. Durch den Generator kann aus der Drehenergie elektrische Energie gewonnen werden und diese kann dann entweder in einer Batterie zwischengespeichert oder aber als Nutzenergie verwendet werden. Der Generator kann am unteren Ende der Rotorwelle angeordnet sein und der Darrieus-Rotor kann insofern im Generator drehbar gelagert sein. Der Generator kann aus Gusseisen bestehen. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass der Darrieus-Rotor über den Generator antreibbar bzw. um die Rotorachse drehbar ist. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere zur Bereitstellung einer gewissen Initialbewegung des Darrieus-Rotors an, die für eine weitergehende Drehung durch eine Anströmung der Darrieus-Flügel erforderlich ist, so wie dies vorstehend erläutert wurde.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Windkraftanlage eine gegenüber der Umgebung erhöhte Temperatur aufweisende Fläche aufweist, wobei der Darrieus-Rotor oberhalb dieser Fläche angeordnet ist. Durch die höhere Temperatur der Fläche kann eine thermische Vertikalströmung entstehen. Durch die Anordnung des Darrieus-Rotors oberhalb der Fläche kann somit diese thermische Strömung zum Antrieb des Rotors genutzt werden. Wenn die Rotorwelle vertikal ausgerichtet ist, kann somit die thermische Vertikalströmung über die Radialflügel den Darrieus-Rotor antreiben und diesen um die Rotorachse drehen. Bei der Fläche kann es sich beispielsweise um die Dachfläche oder die Balkonfläche eines Hauses handeln. Auch andere Flächen kommen in Frage, sofern diese gegenüber der Umgebung eine erhöhte Temperatur aufweisen und insofern eine thermische Vertikalströmung initiieren.
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Weiterhin wird im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Windkraftanlage vorgeschlagen, diese auf dem Dach oder dem Balkon eines Hauses zu verwenden. Durch eine entsprechende Verwendung der Windkraftanlage kann durch die Wärme des Hauses hervorgerufene thermische Anströmung genutzt werden. Vorteilhaft ist die Rotorachse dabei vertikal ausgerichtet, so dass die Radialflügel die thermische Anströmung und die Darrieus-Flügel entsprechend eine horizontale Anströmung in eine Rotordrehung umsetzen können. Die ansonsten ungenutzte Abwärme des Hauses kann insofern zur Drehung des Rotors beitragen und durch die Erzeugung elektrischer Energie bspw. auch wieder in das Haus zurückgeführt werden. Auch kann die Windkraftanlage genutzt werden, um einen ansonsten nicht weiter genutzten Fluidstrom zu nutzen, bspw. bei einem Schornstein oder einem Auspuff. Vorteilhaft wird dieser Fluidstrom auf die Radialflügel geleitet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben werden. Darin zeigen:
- 1 eine perspektivische Seitenansicht der Windkraftanlage;
- 2 eine Draufsicht auf die Windkraftanlage.
- 3 eine Seitenansicht der Windkraftanlage;
- 4 eine Seitensicht der Windkraftanlage in einer gegenüber der Darstellung der 2 gedrehten Position;
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Die Darstellung der 1 zeigt in einer perspektivischen Seitenansicht eine Windkraftanlage 10 bzw. einen Darrieus-Rotor 1 einer Windkraftanlage 10. Der Darrieus-Rotor 1 ist um eine in der Darstellung der 4 verdeutlichte Rotorachse R drehbar gelagert und am unteren Ende mit einem in den Darstellungen mit gezeigten Generator verbunden, der aus einer Drehbewegung des Rotors 1 elektrische Energie erzeugen kann.
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Damit sich der Darrieus-Rotor 1 bei einer Anströmung, bspw. mit Wind, dreht und insofern aus der Anströmung elektrische Energie gewonnen werden kann, weist dieser verschiedene Flügel 2, 3 auf, die mit einer zentralen Rotorwelle 1.1 verbunden sind. Die Flügel 2, 3 drehen sich bei einer Anströmung um die Rotorachse R, so wie dies nachfolgend noch näher beschrieben wird, und versetzen dabei auch die Rotorwelle 1.1 in Drehung. Die Rotorwelle 1.1 steht wiederum mit dem Generator in Kontakt, der aus der entsprechenden Drehbewegung elektrische Energie erzeugt.
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So wie dies in den Darstellungen weiterhin zu erkennen ist, weist der Darrieus-Rotor 1 mehrere sich im Wesentlichen parallel zur Rotorachse R erstreckende Darrieus-Flügel 2 und sich im Wesentlichen quer zur Rotorachse R erstreckende Radialflügel 3 auf. Die drei Darrieus-Flügel 2 weisen alle denselben radialen Abstand von der Rotorachse R auf und sind über in den Darstellungen nicht gezeigte Halteelemente mit der Rotorwelle 1.1 verbunden. Die insgesamt 12 Radialflügel 3 sind mit dem unteren Ende der Rotorwelle 1.1 verbunden und diese erstrecken sich ausgehend von der Rotorwelle 1.1 nach Art eines Fächers im Wesentlichen in radialer Richtung. Die Radialflügel 3 und die Darrieus-Flügel 2 sind in einem rechten Winkel zueinander angeordnet, so dass diese jeweils bei Strömungen aus unterschiedlichen Richtungen bzw. durch verschiedene Strömungskomponenten in Drehung versetzt werden.
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Die Funktionsweise der Windkraftanalage 10 bzw. die Drehung des Darrieus-Rotors 1 soll nun näher erläutert werden. Der Darrieus-Rotor 1 kann zur Erzeugung von elektrischer Energie in aufrechter Position, so dass sich also die Rotorachse R in vertikaler Richtung erstreckt auf dem Dach eines Hauses angeordnet werden. Die Darrieus-Flügel 2 erstrecken sich dabei ebenfalls in vertikaler Richtung und die Radialflügel 3 in horizontaler Richtung, im Wesentlichen parallel zum Erdboden. Eine entsprechende Ausrichtung ist auch in den 1 bis 4 zu erkennen.
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Da die Dachfläche des Hauses in der Regel wärmer ist als die Umgebungstemperatur, sei es, weil das Haus geheizt wird oder weil die Sonneneinstrahlung das Dach erhitzt, entsteht aufgrund der höheren Temperatur des Dachs bzw. der Dachoberfläche eine thermische Vertikalströmung, die in der 1 mit dem Bezugszeichen V verdeutlicht ist.
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Aufgrund der Anordnung des Rotors 1 oberhalb des Daches trifft diese thermische Vertikalströmung V auf die Radialflügel 3, die, im Grunde ganz ähnlich wie ein Lüfter, einen gewissen Anstellwinkel gegenüber der Horizontalen aufweisen, so wie dies in der Darstellung der 1 zu erkennen ist. Aufgrund dieses Anstellwinkels werden die Radialflügel 3 und dadurch auch die Rotorwelle 1.1 durch die Vertikalströmung V in Drehung versetzt. Die Funktionsweise ist insofern bspw. mit der einer Weihnachtspyramide vergleichbar.
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Die Radialflügel 3 sind an ihren äußeren Enden mit einem Impellerring 6 und an ihren inneren Enden mit der Rotorwelle 1.1 verbunden, so dass die Radialflügel 3 zusammen mit dem Impellerring 6 und der Rotorwelle 1.1 einen Impeller 5 bilden. Bei einer vertikalen Anströmung dreht sich der Impeller 5 dann entsprechend um die Rotorachse R.
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Da sich die Darrieus-Flügel 2 parallel zu der Rotorachse R erstrecken, werden diese durch die Vertikalströmung V nicht angetrieben. Allerdings sind die Darrieus-Flügel 2 über die nicht mit dargestellten Halteelemente mit der Rotorwelle 1.1 und am unteren Ende zudem auch mit dem Impellerring 6 verbunden, so dass sich der gesamte Darrieus-Rotor 1 bei einer Vertikalströmung V als Einheit dreht.
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Wenn der Darrieus-Rotor 1 auf dem Dach eines Hauses angeordnet ist, stehen die Darrieus-Flügel 2 jedoch im Wind und werden insofern durch eine im Wesentlichen in horizontaler Richtung und parallel zum Boden verlaufende Horizontalströmung H angeströmt, die ebenfalls in der Darstellung der 1 zu erkennen ist. Diese Horizontalströmung H dreht dann die Darrieus-Flügel 2 um die Rotorachse R, so dass der Rotor insgesamt sowohl durch die Radialflügel 3 als auch durch die Darrieus-Flügel 2 angetrieben wird.
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Damit die Darrieus-Flügel 2 bei einer entsprechenden Horizontalströmung H quer zur Rotorachse R in Drehung versetzt werden, weisen diese im Querschnitt ein Tragflächenprofil 2.1 auf, welches in der Darstellung der 1 zu erkennen ist. Dieses Tragflächenprofil 2.1 sorgt bei einer Horizontalströmung H aufgrund der Strömungsverhältnisse an Flügel für eine Auftriebskraft bzw. für ein Drehmoment um die Rotorachse R, so dass der Darrieus-Rotor 1 durch die Horizontalströmung H gedreht bzw. weiter beschleunigt wird.
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Ein Vorteil der sich in horizontaler Richtung erstreckenden Darrieus-Flügel 2 besteht darin, dass die Richtung der Horizontalströmung H für den Antrieb des Darrieus-Rotors 1 irrelevant ist, solange die Strömung im Wesentlichen in radialer Richtung, also senkrecht zur Rotorachse R, auf die Darrieus-Flügel 2 trifft. Anhand der 1 kann man sich bspw. vorstellen, dass es irrelevant ist, ob die Horizontalströmung H von links, von rechtes, von vorne oder von hinten kommt. Es ist daher nicht erforderlich, den Darrieus-Rotor 1 der Windrichtung nachzuführen, so wie dies bei Windrädern mit einer horizontal ausgerichteten Rotorachse in der Regel der Fall ist.
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Ein Nachteil der Darrieus-Flügel 2 besteht jedoch darin, dass sich diese bei einer Horizontalströmung H aus dem Stillstand nicht zwangsläufig beginnen zu drehen, sondern dass oftmals eine gewisse Anfangsdrehgeschwindigkeit erforderlich ist. Durch die Radialflügel 3 kann jedoch auch ein stillstehender Darrieus-Rotor 1 in Drehung versetzt werden, der dann durch die vertikal ausgerichteten Darrieus-Flügel 2 weiter beschleunigt werden kann.
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Am oberen Ende sind die Darrieus-Flügel 2 mit kleinen Winglets 2.2 ausgestattet, die für eine bessere Aerodynamik sorgen und insbesondere einen Strömungsabriss verhindert. Die geometrische Ausgestaltung der Winglets 2.2 ist bspw. in der Draufsicht der 2 gut zu erkennen. Bei den Winglets 2.2 handelt es sich um gegenüber den Darrieus-Flügeln 2 abgewinkelte Flügelchen, die sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstrecken und die dafür sorgen, dass sich der Darrieus-Rotor 1 leichter drehen lässt.
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So wie man sich dies im Hinblick auf die Figuren leicht vorstellen kann, treten die höchsten Beanspruchungen im Bereich der Rotorwelle 1.1 auf, da nur diese am untere Ende gelagert ist und sich die weiteren Komponenten des Darrieus-Rotors 1 entsprechend über die Rotorwelle 1.1 abstützen bzw. an dieser befestigt sind. Die Rotorwelle 1.1 besteht daher aus Edelstahl und weist eine hohe Stabilität auf. Alle weiteren Komponenten des Darrieus-Rotors 1 sind hingegen aus einem nachhaltigen Kork-Hanf-Verbundwerkstoff gefertigt.
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Mit der vorstehend beschriebenen Windkraftanlage 10 kann gleichzeitig sowohl aus einer Horizontalströmung H als auch aus einer Vertikalströmung V elektrische Energie gewonnen werden. Gerade wenn die Windkraftanlage 10 auf einem Haus angeordnet ist und sich so auch thermische Strömungen nutzen lassen, bietet die Windkraftanlage 10 gegenüber Windkraftanlagen mit nur einem einzigen Flügeltyp Vorteile hinsichtlich der Stromerzeugung und der Effektivität.
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Bezugszeichen:
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- 1
- Rotor
- 1.1
- Rotorwelle
- 2
- Darrieus-Flügel
- 2.1
- Tragflächenprofil
- 2.2
- Winglets
- 3
- Radialflügel
- 5
- Impeller
- 6
- Impellerring
- 10
- Windkraftanlage
- H
- Horizontalströmung
- V
- Vertikalströmung
- R
- Rotorachse
