DE102023001394A1

DE102023001394A1 - Windkraftanlage auf Basis Unterdruck nach Bernoulli

Info

Publication number: DE102023001394A1
Application number: DE102023001394.3A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2023-04-22
Publication date: 2024-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Energieerzeugung. Das Hauptmerkmal ist ein flügelähnliches Profil (1) (in diesem Fall senkrecht stehend), welches mit Luftein- und Austrittsöffnungen (2) versehen ist. Entweder wird das Profil (1) selbst als Ansaugrohr genutzt oder ein Röhrensystem (3) im Inneren. Dieses Röhrensystem ist mit Klappen versehen, um den Wirkungsgrad des Systems zu optimieren. Das Verfahren nutzt den Unterdruck, der an einem flügelähnlichen Profil entsteht. Die vorbeiströmende Luft saugt über Öffnungen (2) und Kanäle (3) im Profil Luft an. Im Ansaugkanal am unteren Ende des Turms sitzt eine Turbine, die mit einem Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist. Das flügelähnliche Profil ist durch einen Drehkranz mit dem feststehenden Unterteil verbunden und kann immer optimal zum Wind oder der Sonne ausgerichtet werden. Das Konzept beinhaltet weitere mögliche Ausbaustufen. Bei wenig Wind oder Windstille wird der Kamineffekt, der bei solchen Türmen entsteht, zusätzlich zur Energieerzeugung genutzt. Dafür befindet sich am oberen Ende des Turms eine Klappe (13). Diese ist im Unterdruckbetrieb geschlossen. Da bei wenig Wind oder Nutzung des Kamineffekts die zu erwartende Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist, ist eine Kopplung zu einem kleineren Generator vorgesehen. Bei optimalen Bedingungen liefern beide Generatoren elektrische Energie.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur Stromerzeugung unter Ausnutzung des Unterdrucks (nach Bernoulli), der bei einem flügelähnlichen Profil (1) entsteht.
Stand der Technik
Gegenwärtig wird Strom aus Windkraft überwiegend aus Windkraftanlagen mit Rotorblättern bzw. Schaufeln erzeugt. Diese sind an einem Mast bzw. Turm angeordnet. Die Rotorachse kann dabei leicht geneigt zur Horizontalen oder horizontal angeordnet sein (HAWT = horizontal axis wind turbine) oder sie fällt mit der Mast- bzw. Turmachse zusammen oder liegt parallel dazu (VAWT = vertical axis wind turbine). Der Rotor wird durch Wind angetrieben und die Rotationsbewegung wird auf einen Stromgenerator übertragen.
Dieses Funktionsprinzip erzeugt einen sogenannten Heulton bzw. ein Rauschen und wirft durch die drehenden Rotorblätter stroboskopähnliche Schatten. Sowohl die Geräusche als auch der Schattenwurf wird von Menschen als unangenehm empfunden, weshalb ein Mindestabstand zu Wohngebieten eingehalten werden muss.
Zudem stellen die Rotorblätter mit ihrer hohen Geschwindigkeit eine Gefahr für heimische Vögel/Fledermäuse und Zugvögel dar. So dass bei der Genehmigung viele Vorschriften seitens des Umwelt- und Naturschutzes eingehalten werden müssen. Auf Grund dieser Eigenschaften reduzieren sich potenzielle Aufstellflächen erheblich und die Genehmigungsverfahren dauern bis zu 7 Jahren.
Folgende Patente zum Stand der Technik sind betrachtet worden:
DE 10 2014 014 199 A1 2016.03.17 Offenlegungstag: 17.03.2016
DE 10 2016 006 702 A1 2017.05.11 Offenlegungstag: 11.05.2017
DE 10 2018 127 869 A1 2019.12.05 Offenlegungstag: 05.12.2019
DE 10 2020 006 586 A1 2021.02.18 Offenlegungstag: 18.02.2021
Bekannte Anlagen zur Energieerzeugung mittels Windkraft nutzen Rotorblätter bzw. Schaufeln, die an einem Mast bzw. Turm angeordnet sind. Der Rotor wird durch Wind angetrieben und die Rotationsbewegung wird auf einen Stromgenerator übertragen. In der DE 10 2014 014 199 A1 (17.03.2016) wird vorgeschlagen, die Windlasten unter Nutzung des Kamineffektes durch Luftein- und Austrittsöffnungen zu erhöhen. Die DE 10 2020 006 586 A1 (18.02.2021) hingegen nutzt den Differenzdruck der in Türmen/Röhren durch die Höhendifferenz entsteht und treibt damit ein Turbinenrad an.
Zum Stand der Technik wurden auch noch weitere Konzepte gefunden, wie z. B.

1. vertikale Windturbine
2. Ausnutzung des Venturi-Effekt (Sheerwind) (2014)
3 Ausnutzung des Kamineffektes

Diese Konzepte konnten sich aber bislang nicht durchsetzen oder leisten keinen entscheidenden Beitrag zur Energieerzeugung.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine neuartige Windkraftanlage zur Stromerzeugung unter Ausnutzung des Unterdrucks (nach Bernoulli), der bei einem flügelähnlichen Profil (1) entsteht. Durch diesen Unterdruck wird Luft über Öffnungen im Turm und ein damit verbundenes Kanalsystem (3) angesaugt. In dem Ansaugkanal befindet sich eine Turbine (11), die von der vorbeiströmenden Luft angetrieben wird und mit einem bzw. zwei Generatoren (4) verbunden ist.
Das flügelähnliche Profil ist durch einen Drehkranz (6) mit dem feststehenden Unterteil verbunden und kann immer optimal zum Wind oder der Sonne ausgerichtet werden. Dies wird entweder elektrisch oder über eine Windfahne bewerkstelligt.
Der Hauptvorteil der neuartigen Windkraftanlage gegenüber einer Anlage mit Rotoren dürfte die Genehmigung durch Behörden, Akzeptanz durch Umweltschutzorganisationen und der Bevölkerung sein, da sich das flügelähnliche Profil besser in die Landschaft einfügt als Türme mit Rotoren. Das System zeichnet sich zudem durch eine wesentlich geringere Lärmbelästigung aus und stellt keine Gefahr für Vögel/Fledermäuse dar, so dass weniger oder gar keine Widerstände durch Behörden, Bürger sowie Umwelt- und Naturschutzverbänden zu erwarten sind.
Ein weiterer Vorteil ist die einfachere Bauweise. Es müssen keine Generatoren oder Rotoren mit einem Kran oder Helikopter aufwendig montiert werden. Der Generator befindet sich vorzugsweise in Bodennähe. Die Ansaugung (5) in einer Höhe in der sie keine Gefahr für Mensch und Tier darstellt. Durch eine entsprechend große trichterförmige Öffnung der Ansaugung (5) lässt sich die Windgeschwindigkeit so reduzieren, dass keine Gefahr für Mensch und Tier besteht. Mit der beschriebenen Bauweise reduzieren sich auch die Kosten für den Bau und die Wartung gegenüber Anlagen mit Rotorblättern.
Außerdem betrifft die Erfindung weitere Ausbaustufen zur Energieerzeugung. Die erste Ausbaustufe wäre die Nutzung des Kamineffektes, der bei solchen Türmen entsteht.
Die zweite Ausbaustufe beinhaltet die Nutzung von Photovoltaik (10) auf der ebenen Seite des Profils, welches durch die vorherrschende Windrichtung in Westeuropa von West nach Ost in der Regel nach Süden ausgerichtet ist.
Aufgabe:
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ohne die Nachteile der Windkraftanlagen mit Rotorblättern, Energie zu erzeugen und einen schnelleren Ausbau der Windkraft zu ermöglichen.
Lösung der Aufgabe:
Durch die Ausnutzung des Unterdrucks, der nach der Bernoulli-Gleichung zum dynamischen und statischen Druck entsteht, wenn der dynamische Druck größer ist als der statische Druck.
Wenn man ein flügelähnliches Profil, das an der stärksten/dicksten Wölbung, d.h., dort wo der größte Unterdruck entsteht, mit Öffnungen versieht, senkrecht stellt und entsprechend der Windrichtung ausrichtet, entsteht durch die vorbeiströmende Luft an dieser Stelle ein Unterdruck. Dieser saugt Luft aus den Löchern im Profil (Auch andere Geometrien mit flügelähnlichen Profilen sind möglich, z.B. ergänzend zum vertikalen Profil, zusätzliche horizontale Profile mit Löchern).
Entweder wird das Profil (1) selbst als Ansaugrohr genutzt oder ein Röhrensystem (3) im Inneren. Dieses Röhrensystem kann mit Klappen versehen werden, um den Wirkungsgrad des Systems zu optimieren. Am unteren Ende des Profils wird die Luft angesaugt und treibt über eine Turbine (11) im Zuluftstrom einen oder 2 Generatoren an. Der Generator sitzt außerhalb des Kanals, um den Strömungswiderstand zu minimieren. Entweder direkt unter dem Turm mit einer Welle zum Generator oder seitlich neben dem Ansaugkanal verbunden über einen Riemenantrieb.
Um den optimalen Anströmwinkel zur Windrichtung zu erzielen, wird der Turm entweder mechanisch mit einer Windfahne (Wetterhahn) oder elektrisch über einen Drehkranz verstellt. Der drehbare Teil des Turms ist mit einem Rohr (8) mit dem feststehenden Teil der Anlage verbunden.
Die Strömung auf der Oberfläche des Profils kann mit Riblets (Haifischhaut) optimiert werden. Dies geschieht entweder durch Aufkleben entsprechend gerippter Ribletfolien, durch Lackierung (mit Einprägung der Struktur vor der Lackhärtung mit UV-Licht) oder durch das direkte Lasern in die Oberfläche.
Idealerweise wäre die Anlage mit einer Einrichtung zur Speicherung der erzeugten Energie gekoppelt. Hierfür würde sich eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff mit einem Speicher anbieten. Da dies im Moment noch relativ teuer ist, bietet es sich an, als Speicher gebrauchte Akkus aus Elektroautos zu verwenden (Dies hängt natürlich von der Leistung der Anlage ab).
Mit dieser Erfindung könnte bei Wind (Unterdruck), Sonne (Photovoltaik) und bei Windstille oder in der Nacht (Kamineffekt) Strom produziert werden.
Durch die Vorteile dieser Erfindung würde ein entscheidender Beitrag zu Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern geleistet. Außerdem ist ein schneller Ausbau möglich, da eine große Akzeptanz durch Bürger, Umwelt- und Naturschützer zu erwarten ist und somit auch Flächen genutzt werden können, die vorher nicht berücksichtigt wurden. Weiterhin werden heimische Vögel/Fledermäuse und Zugvögel geschützt.
Erste Ausbaustufe:
Bei wenig Wind oder Windstille wird der Kamineffekt, der bei solchen Türmen entsteht, zusätzlich zur Energieerzeugung genutzt. Dafür befindet sich am oberen Ende des Turms eine Klappe (13). Diese ist im Unterdruckbetrieb geschlossen.
Ist die Temperatur im Inneren des Profils wärmer als die Außentemperatur, entsteht ein Kamineffekt. Dieser besagt, dass warme Luft eine geringere Dichte hat als kalte Luft, wodurch eine thermische Konvektion entsteht. In dieser Betriebsart tritt die Luft durch die obere Klappe (13) aus. Im Inneren des Turmes entsteht Unterdruck und saugt Luft durch den Ansaugkanal an. In diesem befindet sich eine Turbine (11) die einen oder 2 Generatoren antreibt. Somit kann diese Anlage auch bei wenig Wind oder Windstille noch Strom liefern.
Der Kamineffekt wird im persischen Windturm, genannt Bagdir, zur Kühlung von Häusern genutzt.
Um diesen Effekt zu initiieren und zu verstärken, kann der Turm dunkel lackiert werden und es können im inneren des Turms Heizelemente angebracht werden, die aus wiederaufladbaren elektrischen Speichern, Photovoltaik oder aus der laufenden Stromproduktion versorgt werden.
Alternativ wird kann der untere Teil des Turms oder das Dach des Betriebsgebäudes mit Solarkollektoren bestückt werden. Die Solarkollektoren absorbieren die Sonnenwärme. Ein Wasser-Frostschutz-Gemisch leitet diese Wärme über einen Wärmetauscher in den Solarspeicher. Dieser versorgt Heizelemente im Inneren des Turms und initiiert und verstärkt den Kamineffekt.
Zweite Ausbaustufe:
Weiterhin lässt sich die Windkraftanlage mit einer Photovoltaik Anlage (10) kombinieren. Dabei wird die der gewölbten Seite gegenüberliegende Fläche des Profils mit Solarzellen bestückt.
Da üblicherweise in großen Teilen Europas häufig ein West-Ost Wind weht, und somit der Turm mit der gewölbten Seite des Profils Richtung Norden zeigt, ist die mit Solarzellen bestückte der gewölbten Seite gegenüberliegende Fläche automatisch nach Süden ausgerichtet.
Abhängig davon, wo der größte Wirkungsgrad erzielt wird, Wind oder Solar, ließe sich das Profil über den Drehkranz (6) der Sonne nachführen und die Anlage immer mit dem optimalen Wirkungsgrad betreiben.
Bauweise:
Turm
Hier könnte sich eine Schalenbauweise aus partikel- oder faserverstärkten Polymeren, Stahl oder Beton anbieten, auch organische Werkstoffe (Holz/Bambus) sind denkbar. Das hängt von der Größe der Anlage ab. Auch eine Kombination dieser Werkstoffe ist möglich.
Betriebsgebäude (12) / Schaltanlage
Die Schaltanlage (9) befindet sich in dem Betriebsgebäude ebenerdig und ist somit leicht zugänglich. Der Generator und die Luftansaugung befinden sich vorzugsweise im 1. Stock und sind somit auch leicht zugänglich. Die Ansaugung in dieser Höhe stellt keine Gefahr für Mensch und Tier dar. Durch entsprechende Bauweise des Betriebsgebäudes (z.B. Verkleidung mit Holz) fügt sich die Anlage besser in die Umwelt ein und erhöht die Akzeptanz.
Bezugszeichenliste (Fig. 1 - 4):

1: Profil (flügelähnlich)
2: Öffnungen
3: Rohrsystem
4: Generator
5: Ansaugung
6: Drehkranz
7: Feststehendes Rohr
8: Rohr in drehbarem Turm
9: Schaltanlage
10: Photovoltaik
11: Turbine / Ventilatorflügel
12: Betriebsgebäude
13: Luftklappe
14: Solarkollektoren

Es folgen 4 Seiten Zeichnungen

1 Komplette Anlage, Turm mit Luftein- und Austrittsöffnungen
2 Schnitt des Turms im Bereich der Luftaustrittsöffnungen
3 Turmspitze mit Öffnungsklappe
4 Ansaugung mit Turbine, Generator und Turmdrehkranz, Solarkollektoren

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014014199 A1 [0005, 0009]
DE 102016006702 A1 [0006]
DE 102018127869 A1 [0007]
DE 102020006586 A1 [0008, 0009]

Claims

Windkraftanlage bestehend aus einem Turm mit mindestens 2 Öffnungen für Luft, einem Kanalsystem, einer Turbine (11) im Ansaugkanal, verbunden mit einem Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm aus einem flügelähnlichen Profil besteht, wobei die vorbeiströmende Luft einen Unterdruck an der nach außen (konvex) gewölbten Seite erzeugt.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich am oberen Ende des Turms eine Klappe (13) befindet, die im Unterdruckbetrieb geschlossen ist und zur Steuerung des Kamineffekts geöffnet werden kann und bei wenig Wind oder Windstille durch die nach oben strömende Luft eine Turbine antreibt und Energie erzeugt. Da bei wenig Wind oder Nutzung des Kamineffekts die zu erwartende Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist, ist eine Kopplung zu einem kleineren Generator vorgesehen. Bei optimalen Bedingungen liefern beide Generatoren elektrische Energie.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Photovoltaik (10) genutzt wird, indem die der gewölbten Seite gegenüberliegende Fläche des Profils mit Solarzellen (10) bestückt wird. Da üblicherweise in großen Teilen Europas häufig ein West-Ost Wind weht, und der Turm mit der gewölbten Seite des Profils Richtung Norden zeigt, ist die mit Solarzellen bestückte gegenüberliegende Seite automatisch nach Süden ausgerichtet und liefert zusätzliche Energie.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Profil über einen Drehkranz (6) ausrichten lässt. Abhängig davon, wo der größte Wirkungsgrad erzielt wird, Wind oder Solar, ließe sich das Profil über den Drehkranz (6) der Sonne nachführen und die Anlage immer mit dem optimalen Wirkungsgrad betreiben. Um den optimalen Anströmwinkel zur Windrichtung zu erzielen, wird der Turm entweder mechanisch mit einer Windfahne oder elektrisch über einen Drehkranz (6) verstellt. Der Turm ist über eine drehbare Rohrverbindung (7) und (8) mit dem feststehenden Teil der Anlage verbunden.
Windkraftanlage nach Anspruch 1. Dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung auf der Oberfläche des Profils mit Riblets (Haifischhaut) bezüglich des Wirkungsgrades optimiert wird. Dies geschieht entweder durch 5.1 Aufkleben entsprechender Riblet-Folien, 5.2 durch Lackierung (mit Einprägung der Struktur vor der Lackhärtung mit UV-Licht) 5.3 oder durch das direkte Lasern in die Oberfläche.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kamineffekt initiiert bzw. verstärkt wird durch dunkle Lackierung des Turms und/oder durch Heizelemente, die mit heißem Wasser aus Solarkollektoren oder elektrischen Speichern versorgt werden.