DE19518838A1 - Windenergie-Mastturbine mit oder ohne Leuchte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Entwicklung einer Mastleuchte bzw. Mastturbine, die aus einem Tragmast für die Windturbine ggf. gekoppelt mit einer Leuchte besteht, bei der die Energiebereitstellung unter Ausnutzung der Windkraft erfolgt.

Aus jüngsten Untersuchungen geht hervor, daß Windkraft allein etwa 10 Prozent des Bedarfs an elektrischem Strom decken könnte. Als Bestandteil eines Windmeßprogramms der Umweltministerien von Sachsen und Thüringen wurde eine Vielzahl windträchtiger Flächen und Standorte für Wind­ kraftanlagen ausgewiesen.

Bei der Nutzung der Windkraft sollte es aber nicht allein um Großanlagen mit einer installierten Leistung von minde­ stens 50 kW gehen, sondern auch um das wirtschaftliche und umweltverträgliche Betreiben einer Vielzahl von Kleinver­ braucheranlagen unter 5 kW.

Straßenleuchten und dergleichen sind in vielen Ausführun­ gen bekannt und es ist auch bekannt, solche Leuchten mit Akkumulatoren zu versehen, um eine netzunabhängige Versor­ gung zu erreichen. Zur täglichen Aufladung der Akkumulato­ ren werden z.Z. allerdings nur Photovoltaik-Anlagen be­ trieben.

In DE 35 23 028 wird eine ortsfeste, an einem Mast aufge­ hängte Leuchte mit eingebautem Akkumulator, mit photovol­ taischen Zellen und mit elektronischer Regelung vorge­ schlagen, die besonders witterungsbeständig und gegenüber äußeren Einflüssen robust ist. Durch Lufteinlaßöffnungen, vorzugsweise nahe dem Erdboden, und mindestens einer Luft­ auslaßöffnung wird die Kaminwirkung des Mastes zur Kühlung und Belüftung des Akkumulatorgehäuses ausgenutzt. Durch Übereinanderanordnung von Akkumulator und elektronischer Regelung wird die Unterbringung dieser beiden Bauteile im Fuß des Mastes ermöglicht.

Aus DE 39 40 008 ist eine analoge Standleuchte zur Ver­ wendung als Außenbeleuchtung für Gebäude, in Gärten, Parks oder Anlagen bekannt. Auch hier wird die elektrische Energie mittels an der Leuchte plazierter Fotoelemente erzeugt.

Für die Stromerzeugung auf photovoltaischer Basis sind im 24-Stunden-Rhythmus größere Tageslichtabschnitte erforderlich.

Darüberhinaus ist die Anordnung der Solarelemente mit einer derart flächenhaften Ausdehnung verbunden, die bei höheren Windlasten kritische Werte annehmen kann.

Windturbinen, die die horizontale Komponente der Wind­ strömung ausnutzen, sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausführung bekannt.

Speziell angepaßte und effektiv mit gutem Wirkungsgrad arbeitende Kleinstturbinen sind nur in DE 28 14 247 und DE 40 34 968 A1 beschrieben.

Die Windkraftmaschine nach DE 28 14 247 ist gekennzeich­ net durch ein im Betrieb rotierendes, rotationssymmetrisch ausgebildetes Luftleitgehäuse mit zentraler Welle, an dem parallel oder geneigt zur Welle, in symmetrischer Anord­ nung, mindestens zwei mechanisch angetriebene Flettner- Rotoren angeordnet sind, denen je eine im Luftleitgehäuse angebrachte und parallel zur jeweiligen Rotorachse ver­ laufende Luftzufuhröffnung zugeordnet ist.

Gegenstand der DE 40 34 968 ist eine Windturbine, die schraubenförmig gewunden ist; der Wind strömt in die zopfförmig gewundenen Düsen und dreht die Windturbine.

Windturbinen zur Nutzung der vertikalen Komponente der Windströmung sind aus der Technik zur allgemeinen Energie­ erzeugung bekannt.

So wird beispielsweise in DE 94 11 581 U1 über eine Sogkraftmaschine mit einem Flügelrad und einem von der Radwelle angetriebenen Generator berichtet, bei der ein vertikal ausgerichteter Hohlmantel fußseitig Eintrittsöff­ nungen aufweist und innerhalb des Hohlmantels ein Flügel­ rad mit vertikaler Drehachse angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine ortsfeste Mastenergie­ anlage auf Windkraftbasis mit oder ohne Leuchte zu ent­ wickeln, bei der eine spezielle für den Anwendungszweck angepaßte Windturbine eingesetzt werden soll.

Insbesondere die in ihrer Funktion auf die Ausführung des Tragmastes als Hohlmast zugeschnittenen Windturbinen sollen dabei auch vielfältige andere Energieversorgungs­ aufgaben übernehmen können.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 1, 8, 10 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nach einem ersten Merkmalskomplex wird die Windturbine in die Leuchte integriert, siehe Ansprüche 1 bis 8.

Die Windturbine fungiert dabei als Leuchtenaufsatz, d. h. sie ist anstelle des Leuchtenschirmes oder unmittelbar unterhalb des Leuchtenschirmes angeordnet. Durch diesen spezifischen Aufbau der Leuchte können sowohl die horizon­ talen Luftströmungen L und Winde W als auch die am Leuch­ tenmast und an der Leuchte aufsteigenden Vertikalströmun­ gen L mit Warmluftanteil durch die Leuchtenaufheizung in die Turbinen einströmen.

In einer speziellen Ausführungsform nach Anpruch 4 bis 7 ist das Turbinenrad mit außenliegenden Lamellen als Leuch­ tenumhausung bzw. Leuchtenkäfig ausgeführt. Die Achsauf­ hängung bzw. Lagerung der Achse des Turbinenrades erfolgt dabei in der Weise, daß der Innenraum des Turbinenkäfigs für die Installation des lichttechnischen Teils der Leuch­ te frei bleibt.

Nach einem zweiten Merkmalskomplex befindet sich die Windturbine im Trägermast, der ggf. mit einer Leuchte gekoppelt ist, s. Ansprüche 8 und 9.

Bei dieser Ausführungsform ist der Trägermast als Hohlmast ausgeführt, der über einen Teil seiner Länge mit Öffnun­ gen, Schlitzen und Luftleitelementen versehen ist, durch die die Außenluft in den Mast einströmen kann, wodurch in seinem Inneren zur Verbesserung der Energiebilanz Poten­ tialwirbel erzeugt werden.

Richtung und Verteilung der Wirbelströmung in der Mast­ länge können durch Strömungsflächen so beeinflußt werden, daß Luftdruckverhältnisse entstehen, die zur Beschleuni­ gung des auf die Turbine einwirkenden Luftstromes führen.

Die Windturbine ist im unteren Bereich des Hohlmastes unterhalb der Öffnungen, Schlitze, Luftleitelemente und ggf. Strömungsflächen aber oberhalb gesonderter Öffnungen für den kaminartigen Lufteintritt positioniert.

Nach einem dritten Merkmalskomplex ist die Windturbine ebenfalls im Innenraum des Hohlmastes angeordnet, s. Ansprüche 10 bis 12.

Das Wesen der Erfindung besteht hier darin, daß einmal der Hohlmast fast über seine gesamte Länge mit Öffnungen, Schlitzen versehen ist, durch die die Außenluft in den Mast einströmen, den Mast horizontal und vertikal durchströmen kann.

Zum anderen ist im Mastinneren ein zylindrisches Turbinen­ rad vorgesehen, dessen Achse parallel zur Mastachse ver­ läuft und das sich in seiner Länge über den mit Öffnungen, Schlitzen versehenen Mastbereich erstreckt.

Richtung und Verteilung der Luftströmung über der aktiven Turbinenlänge können wiederum durch Luftleitelemente und Strömungsflächen so beeinflußt werden, daß Luftdruckver­ hältnisse entstehen, die zu einer Beschleunigung der auf die Turbine einwirkenden Luftströme führen.

Die Turbine kann über ihre Länge mit geraden oder gewen­ delten Luftschaufeln, vorzugsweise nach dem Savoniusrotor- Prinzip ausgerüstet sein.

Die beschriebenen Windenergie-Mastleuchten bzw. Masttur­ binen können in verschiedenen Betriebsgrößen ausgeführt werden und in unterschiedlichen Betriebsweisen arbeiten. So kann die Mastleuchte als Einzelleuchte ohne Netzan­ schluß betrieben werden. Eine mit Windenergie betriebene Mastleuchte kann aber auch als Gruppenerzeuger für mehrere angeschlossene einfache Leuchten oder andere Kleinabnehmer von Elektroenergie eingesetzt werden.

Die Mastturbinen/Mastenergieanlagen nach dem 2. und 3. Merkmalskomplex erlauben auch den Betrieb als Kleinanlage in der Weise, daß sie auf ein vorhandenes Erzeuger-/Ver­ brauchernetz (Einfamilienhaus, Gruppe von Leuchten u. a.m.) aufgeschaltet werden können.

Mit einer solchen Betriebsweise verbunden ist dann auch die Rückspeisemöglichkeit autonom erzeugter Energie ins Landesnetz.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus­ führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung der Windturbine als Leuchtenaufsatz,

Fig. 2 die schematische Darstellung der Windturbine in der Ausführung als Leuchtenkäfig,

Fig. 3 einen Mastabschnitt des Trägermastes mit in diesem Hohlmast montierter Windturbine,

Fig. 4 Detaildarstellungen der Öffnungen, Schlitze, Luft­ leitelemente und Wirbelbildner,

Fig. 5 einen Mastabschnitt des Trägermastes mit einge­ brachten Öffnungen, Schlitzen, Luftleitelementen, ausgestattet mit einem über diese Mastabschnitts­ länge verlaufenden Turbinenrad,

Fig. 6 die Ausführung des Turbinenrades nach Fig. 5 nach dem Prinzip des Savoniusrotors.

Fig. 1 zeigt den schematisierten Gesamtaufbau einer als Leuchtenaufsatz arbeitenden Windturbine 1.

Die Windturbine 1 ist unterhalb des Leuchtenschirmes 5 auf die eigentliche Leuchte 2 aufgesetzt, die sich wiederum auf dem Leuchtenfuß 3.1 des Mastes 3 abstützt.

Die Turbine ist mit außenliegendem Rotor 4 und vertikaler Rotorachse 7, s. Fig. 2, ausgeführt. Als Turbinenrad wird beispielsweise eine Walzenturbine mit Vertikallamellen verwendet.

Die Krafteinwirkung auf das Turbinenrad 4 geht aus von den Luft- und Windströmungen L, W. Die an der Leuchte 2 aufsteigende vertikale Luftströmung wird maßgeblich geför­ dert durch den mittels Leuchtenaufheizung entstehenden Warmluftanteil.

Fig. 2 zeigt eine Leuchte, bei der das in die Leuchte integrierte Turbinenrad 4 käfigartig die Lampe bzw. den lichttechnischen Teil 6 der Leuchte 2 einschließt. Das Turbinenrad verfügt über eine vertikale Lagerung der Achse 7 und ist in einem mit dem Leuchtenmast 3 bzw. Leuchtenfuß 3.1 verbundenen Rahmen 8 aufgehängt.

Der elektrische Teil 9 der Windturbine befindet sich unterhalb des Turbinenrades 4, die mastparallel verlau­ fende Achse 7 des Turbinenrades ist mit der Generatorachse gekoppelt.

Das für die Funktion einer Mastturbine wesentliche Mast­ segment 3 ist in Fig. 3 dargestellt. Zu erkennen sind die über diesen Teil der Mastlänge eingebrachten Öffnungen, Schlitze 10 und Luftleitelemente 11, durch die die Außen­ luft W in den Mast einströmt.

Zwischen dem Mastbereich mit den Öffnungen, Schlitzen 10 und Luftleitelementen 11 und den im unteren Mastbereich eingebrachten Lufteintrittsöffnungen 13 befindet sich das Turbinenrad 4, dessen Achse 7 parallel zur gedachten Mastachse verläuft und mit dem Generator im Elektroblock 9 gekoppelt ist.

Die über die Öffnungen 13 in den Masthohlraum eintretende kaminsogartige Luftströmung L vermischt sich mit den durch die Öffnungen, Schlitze 10 eindringenden Außenluftanteilen W zu einem Minizyklon M im Mast.

Detaildarstellungen der Öffnungen, Schlitze 10, der Luft­ leitelemente 11 sowie zusätzlicher Strömungsflächen 12 vermittelt Fig. 4.

Die Strömungsflächen 12 dienen dabei als Wirbelbildner zur Einflußnahme auf Richtung und Verteilung der Wirbelströ­ mung im Mastinnenraum.

Fig. 5 veranschaulicht den funktionell wesentlichen Teil des Tragmastes einer Windturbine, dessen sich im Innenraum des Hohlmastes 3 befindliches Turbinenrad 4 zylindrisch ausgeführt ist und über die gesamte Mastabschnittslänge reicht, in die Öffnungen, Schlitze 10 und Luftleitelemente 11 eingebracht sind.

Die Achse 7 des Turbinenrades 4 verläuft wiederum achs­ parallel zum Mast 3 und geht über in die Achse des Genera­ tors als Teil des Elektroblocks 9.

Eine spezielle Ausführung des Turbinenrades 4 nach dem Prinzip des Savoniusrotors ist in Fig. 5 dargestellt.

Claims (12)

1. Windenergie-Mastturbine mit Leuchte, dadurch gekennzeichnet, daß die Windturbine (1) anstelle des Leuchtenschirmes (5) oder unterhalb des Leuchten­ schirmes (5) angeordnet ist.

2. Windenergie-Mastleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windturbine (1) oberhalb der eigentlichen Leuchte (2) angeordnet ist und einen außenliegendem Rotor (4) mit vertikaler Rotorachse auf­ weist.

3. Windenergie-Mastleuchte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (4) als Walzenturbine mit Vertikallamellen ausgeführt ist.

4. Windenergie-Mastleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (4) mit außen­ liegenden Lamellen als Leuchtenumhausung in der Weise ausgebildet ist, daß es käfigartig die Lampe bzw. den lichttechnischen Teil (6) der Leuchte (2) einschließt.

5. Windenergie-Mastleuchte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der vertikalen Achse (7) des Turbinenrades (4) so erfolgt, daß der Innenraum des Turbinenkäfigs für die Installation des lichttechnischen Teils (6) der Leuchte (2) freigehalten ist.

6. Windenergie-Mastleuchte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (4) in einem mit dem oberen Ende des Leuchtenmastes (3) verbundenen Rahmen (8) aufgehängt ist.

7. Windenergie-Mastleuchte nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator und der weitere elektrische Teil (9) der Windturbine (1) unterhalb des Turbinenrades (4) und in Verlängerung der Turbinenradachse am oberen Mastende (3.1) positioniert sind.

8. Windenergie-Mastturbine mit oder ohne Leuchte bei der der (Leuchten)mast als Hohlmast ausgeführt ist und im Mastinneren eine Windturbine angeordnet ist, deren Achse parallel zur Mastachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlmast (3) über einen Teil seiner Länge mit Öffnungen, Schlitzen (10) und Luftleitelementen (11) versehen ist, durch die Außenluft in den Mast einströmen und zu Potentialwirbeln geformt werden kann, wobei zur Richtung und Verteilung der Wirbelströmung in der Mastlänge Strömungsflächen (12) vorhanden sein können und im unteren Mastinneren unterhalb der Öffnungen, Schlitze (10) und Luftleitelemente (11) aber oberhalb von Lufteintrittsöffnungen (13) die Windtur­ bine (1) angeordnet ist.

9. Windenergie-Mastturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektroblock (9), beste­ hend aus Generator, Spannungs- und Frequenzwandler, Rege­ lungstechnik und ggf. Anschlußtechnik zum öffentlichen Energieversorgungsnetz oder Akkumulator unterhalb der Turbine (4) im unteren Mastende angeordnet ist.

10. Windenergie-Mastturbine mit oder ohne Leuchte, bei der der (Leuchten)mast als Hohlmast ausgeführt ist und im Mastinneren eine Windturbine angeordnet ist, deren Achse parallel zur Mastachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlmast (3) fast über seine gesamte Länge mit Öffnungen, Schlitzen (10) versehen ist, durch die Außenluft in den Mast einströmen sowie horizontal und vertikal durchströmen kann, und das Turbinenrad (4) im Mastinneren zylindrisch ausgebildet ist, wobei es sich in seiner Länge über den Öffnungen, Schlitze (10) aufweisenden Mastbereich erstreckt.

11. Windenergie-Mastturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Luftleitelemente (11) und Strömungsflächen (12) vorhanden sind, die über die aktive Turbinenlänge Richtung und Verteilung der Strömung so beeinflussen, daß Luftdruckverhältnisse entstehen, die zu einer Beschleunigung der auf die Turbine (1) einwirkenden Luftströme führen.

12. Windenergie-Mastturbine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (4) mit geraden oder gewendelten Luftschaufeln ausgeführt ist.