DE19936001A1 - Windkraftwerk zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer in Form eines vom Boden aus nach oben ragenden dreidimensionalen Gebildes (11), bei dem DOLLAR A - die Außenwände die Einlaßseite von Windeintrittsleitungen (1) aufweisen, die sich zu einem Zentralbereich des Gebildes erstrecken, DOLLAR A - die Windeintrittsleitungen im Zentralbereich mit einer Strömungsleiteinrichtung (3) verbunden sind, die eine durch die Windeintrittsleitungen eintretende Windströmung zu einer Turbinen-Generatoreinheit (6) leitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windkraftwerk, das Wind­ energie zur Umwandlung in mechanische Energie nutzt.

Die gegenwärtigen "Windmühlen" Windanlagen zeigen trotzt tech­ nischer Neuerungen einige Nachteile im System selbst:

• - eine sehr hohe Anzahl, die notwendig ist um ein einwandfreies Funktionieren zu gewährleisten;
• - ein wahrer hoher Kostenaufwand pro Einheit;
• - große Landstriche sind zur Installation von Windanlagen not­ wendig;
• - einen enormen Umwelteinfluß, Umweltverschmutzung;
• - permanente Wartung;
• - begrenzte Nutzung des Windes, nur zu einer bestimmten Wind­ stärke.

Es existieren auch andere Vorrichtungen die Windenergie nutzen, wie das beispielsweise in den Patenten EP 700 484 und EP 867 615 und der Anmeldung WO 96/14507 aufgezeigt ist. Alle diese Dokumente beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Nutzung von Windenergie die aus Windfangelementen und Turbinen bestehen welche nichtsdestotrotz die gleichen Merkmale wie die vorlie­ gende Erfindung aufzeigen.

Aufgabe der Erfindung ist es eine neue Windkraftanlage aufzu­ zeigen, die im Bezug auf alle anderen industriell gegenwärtig verwendeten Windmühlen zur Nutzung von Windenergie fortschritt­ lich und innovativ ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage hat Form eines vom Boden aus nach oben ragenden dreidimensionalen Gebildes, z. B. einer Kugelkalotte, Pyramide oder eines Kubus, bei dem die Außenwände die Einlaßseite von Windeintrittsleitungen aufweisen, die sich zu einem Zentralbereich des Gebildes er­ strecken. Die Windeintrittsleitungen sind im Zentralbereich mit einer Strömungsleiteinrichtung verbunden, die eine durch die Windeintrittsleitungen eintretende Windströmung zu einer Turbi­ nen/Generatoreinheit leitet. Das dreidimensionale Gebilde ist in sich fest, z. B. als Betonstruktur und ist vorzugsweise auf einem festen Fundament aufgebaut. Sie hält daher sogar Hurri­ kans stand.

Vorzugsweise sind die Windeintrittsleitungen in mehreren über­ einander angeordneten horizontalen Ebenen angeordnet. Vorzugs­ weise sind auch viele Windeintrittsleitungen in einer horizon­ talen Eben angeordnet, die nach allen Seiten in die Außenfläche des dreidimensionalen Gebildes münden, so daß der Wind von al­ len Richtungen einströmen kann. Jede Windeintrittsleitung er­ streckt sich in strömungstechnisch günstiger Weise vorzugsweise spiralförmig in einer horizontalen Ebene zum Zentralbereich hin.

Über strömungstechnisch verengende Kupplungselemente wird zum einen die dem Zentralbereich zugeführte Windströmung in ihrer Geschwindigkeit verstärkt und zum anderen können dort Drossel­ ventile vorgesehen sein, um die Windströmung in jeder Windein­ trittsleitung separat abzusperren.

Zentral wird die Strömung vorzugsweise über eine Strömungs­ leiteinrichtung in Form einer Rohrleitung, insbesondere aus Stahl, der Turbinengruppe zugeleitet. Nach Durchgang durch die Turbinengruppe wird die Strömung mittels eines mit der Turbi­ nengruppe auslaßseitig verbundenen Strömungsableitungsrohres 9 abgeleitet.

Vorzugsweise ist zudem eine insbesondere absperrbare Sicher­ heitsrohrleitung vorgesehen, um im Bedarfsfall, z. B. bei Stür­ men oder Wartungsarbeiten die Windströmung zumindest teilweise oder auch völlig an der Turbinen/Generatorgruppe vorbei zu füh­ ren. Hier wäre es gegebenenfalls auch sinnvoll, in der Strö­ mungsverbindung der Strömungsleiteinrichtung mit der Turbi­ nen/Generatorgruppe ein Absperrventil vorzusehen.

Um Winde mit einer Windstärke von 2 bis 10 (auf der Beauforts­ kala) vollständig zu nutzen, schlußfolgerte man, dass ein Auf­ bau mit der äußeren Form einer Kugelkalotte (Fig. 1) ideal wä­ re, wodurch eine große Fläche dem Wind ausgesetzt wäre und sie gleichzeitig einem einheitlichen Druckauftrag unterläge.

Die folgenden Ergebnisse zeigen das Beispiel eines Aufbaus mit einer dem Wind ausgesetzten Nutzfläche von 10 000 qm: (Kommentar: ausgedrückt in Kraft pro Fläche entsprechend kg pro qm)

Die vorliegende Erfindung besteht vorzugsweise aus einem Beton­ aufbau mit der äußeren Form einer Kugelkalotte 11 und einer in­ neren radialen Form, die es ungeachtet der Windrichtung möglich macht Wind zu nutzen in dem dieser durch Wind Eintrittsleitun­ gen 1 an Kupplungselemente 2 geführt wird und darauf folgend nach unten durch eine zentrale ringförmige bzw. schraubenförmi­ ge Rohrleitung 3 strömt, die in der Form einer Schraube zur Turbinen - Generatorgruppe 6 führt, wo die Windenergie in me­ chanische Energie umgewandelt wird. Die ihrerseits in elektri­ sche Energie umgesetzt wird.

Sie besteht vorzugsweise aus den folgenden Elementen:
Windeintrittsleitungen bestehend aus Beton 1 mit einer Spiral­ form um den Wind von außen an die Kupplungselemente 2 zu füh­ ren. Einer Stahlsicherheitsleitung 8 um die Strömung bei Bedarf von außen umzuleiten. Eine Stahlabgasleitung 9 zum Herausführen der Strömung, die von der Turbinen-Generatorgruppe kommt.

Die (aus Stahl bestehenden) Kupplungselemente 2 fungieren als ein Zwischenglied zwischen den Windeintrittsleitungen 1 und der zentralen ringförmigen bzw. schraubenförmigen Rohrleitung 3 in­ dem die Strömung aufgrund des reduzierten Durchmessers be­ schleunigt wird.

Die innerhalb der Kupplungselemente 2 angeordneten Strömungs­ eintrittsventile 5 sind Drosselklappenventile und werden zur Steuerung der Strömung eingesetzt.

Die aus Stahl in der Form einer Schraube nach unten verlaufende zentralen Rohrleitung soll die von den Eintrittsleitungen 1­ /Kupplungselementen 2 kommende Strömung aufnehmen und an die Turbine/Generatorgruppe 6 weitergeben.

Die kreisförmige Tragwand (aus Beton) 4 fungiert als ein Träger für die zentralen Rohrleitung 3 und als eine Trennwand zwischen letzterer und dem Zentralbereich.

Die Turbinen/Generatorgruppe 6 soll die Energie umwandeln.

Die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit klassischen "Windmühlen" sind folgende:

• - Hohe Auslastung zur Erzeugung elektrischer Energie und Renta­ bilität;
• - Nutzung von Winden mit einer Windstärke von 2 bis 10 (Beaufortskala);
• - der Platzbedarf ist auf die Größe des Aufbaus beschränkt;
• - geringer Einfluß auf die Umwelt;
• - kein Lärm oder elektrische Störung;
• - keine permanente Wartung;
• - computergestützte Fernsteuerung;
• - geringe Konstruktionskosten;
• - anpassende Größe nach dem jeweiligen Bedarf;
• - einfache Konstruktion;
• - kleine Anzahl an beweglichen Teilen.

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand von Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Windkraftwerkes;

Fig. 2 einen Querschnitt des Windkraftwerkes;

Fig. 3 eine Ansicht des Windkraftwerkes von unten und

Fig. 4 eine Draufsicht des Windkraftwerkes.

Wie das in den beigefügten Zeichnungen zu ersehen ist, besteht das erfindungsgemäße Windkraftwerk im wesentlichen aus:

• - in Eintrittsleitungen in einer Spiralform die aus Beton 1 hergestellt sind und den Wind von außerhalb an die Kupplungs­ elemente 2 führen sollen.
• - Einer Stahlsicherheitsleitung 8 die die Strömung im Bedarfs­ fall nach außen umleiten soll;
• - Eine Stahlabgasleitung 9 die die von der Turbinen- Generator­ gruppe kommende Strömung nach außen führt.
• - Die (aus Stahl hergestellten) Kupplungselemente 2 fungieren als ein die Windkraft verstärkendes Verbindungsglied zwischen den Windeintrittsleitungen 1 und der zentralen ring- bzw. schraubenförmigen Rohrleitung 3 indem die Strömung aufgrund des reduzierten Durchmessers beschleunigt wird;
• - die innerhalb der Kupplungselemente 2 angeordneten Strömungs­ eintrittsventile 5 sind Drosselklappenventile und werden zur Steuerung der Strömung eingesetzt;
• - die aus Stahl in der Form einer Schraube hergestellte zentra­ len ringförmige Rohrleitung 3 soll die von den Eintrittsleitun­ gen 1/Kupplungselementen 2 kommende Strömung aufnehmen und an die Turbinen/Generatorgruppe 6 weiterleiten; die (aus Beton ge­ fertigte) kreisförmige Tragwand 4 fungiert als ein Träger für die zentralen Rohrleitung 3 und als eine Trennwand zwischen den letzterer und dem Zentralbereich;
• - die Turbinen/Generatorgruppe 6 soll die Energie umwandeln;
• - einen Betonaufbau mit der äußeren Form einer Kugelkalotte 11 und einer inneren radialen Form, die einen maximalen Windfang zuläßt aus welcher Richtung der Wind auch immer strömt und ei­ nen richtungsunabhängigen einheitlichen Winddruck vorsieht, und der Winde mit einer Windstärke 12 (Beaufortskala) standhält, und der auf einem Betonfundament (Kommentar 12) angeordnet ist.

Die Windeintrittsleitungen 1 überdecken die gesamte Fläche des Aufbaus mit Ausnahme der Kuppel 10 die auf dem oberen Teil an­ geordnet ist, dem Fundament des Aufbaus und dem zentralen Teil des Systems die im wesentlichen dazu dienen den Wind von außen an die Stahlkupplungselemente 2 zu führen. Jede der Leitungen besitzt ein Profil mit einer Form eines Rechtecks wobei ihre Anordnung relativ zu dem Zentralbereich der Struktur auf einer horizontalen Ebene spiralförmig ist, und ihr Querschnitt zuneh­ mend kleiner wird, je mehr sie sich dem Inneren nähern, mit ei­ ner Neigung von ca. 5%.

Die aus Stahl gefertigten Kupplungselemente 2 fungieren als ein strömungstechnisch verstärkendes Verbindungselement zwischen den aus Beton bestehenden Windeintrittsleitungen 1 und der stählernen zentralen ring- bzw. schraubenförmigen Rohrleitung 3 indem die Strömung aufgrund des reduzierten Durchmessers be­ schleunigt wird. Die Rohrleitung ist vorzugsweise im Bereich der Anschlußstellen der Verbindungselemente horizontal ringför­ mig ausgebildet und ist über schraubenartig nach unten verlau­ fende Rohrabschnitte mit dem ringförmigen Rohrabschnitt der da­ runterliegenden horizontalen Ebene verbunden.

Die Strömungseinlaßventile 5 sind Drosselklappenventile und sind innerhalb der Kupplungselemente 2 in einer Vertikalpositi­ on angeordnet, wodurch der Eintritt der Strömung von außen nach innen zulässig ist, wobei die Strömungseintrittsventile durch einen Zentralkomputer gesteuert werden.

Das Sicherheitssteuerventil vom Typ eines Drosselklappenventi­ les, dass in jeder Hinsicht dem Strömungseintrittsventil iden­ tisch ist, ist innerhalb der Sicherheitsleitung 8 in einer Ver­ tikalposition angeordnet und soll die Strömung nach außerhalb der Struktur umleiten, wenn das notwendig ist (Überschußströ­ mung, Wartung, usw.).

Die aus Stahl gefertigte zentrale Rohrleitung 3 befindet sich in dem durch die Leitungen 1 gebildeten Zentrum der Struktur. Diese Rohrleitung verläuft in der Form einer Spirale mit im Verbindungsbereich der Kupplungselemente ringförmigen Abschnit­ ten von der Decke zum Boden der Struktur (Level 0) und sollen die von allen Kupplungselementen 2 kommende Strömung aufnehmen und an die Turbinen - Generatorgruppe 6 weitergeben.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist die zuvor erwähnte zen­ trale Rohrleitung 3 von einer kreisförmigen Tragwand (aus Be­ ton) 4 getragen, die ebenso als eine Trennwand zwischen ihr und dem Zentralbereich der Struktur dient.

Der Luftstrom, wird nach dem Antreiben der Turbinen - Genera­ torgruppe 6 durch eine aus Stahl hergestellte Abgasleitung 9 nach außen geführt. Zum Schutze des Systems existiert eine Drosselklappenventilsteuerung und ein Sicherheitsventil was je­ der Hinsicht zu dem Strömungseintrittsventil identisch ist, welches die Luftströmung der Turbinen - Generatorgruppe 6 an eine Sicherheitsleitung 8 umleitet, wenn ein Überschuß festge­ stellt wird oder eine Wartung erforderlich ist. Dieses Ventil ist innerhalb der Leitung 8 in einer Vertikalposition angeord­ net. Dadurch ist es möglich, die Turbinen - Generatorgruppe zu Wartungszwecken vollkommen anzuhalten.

Die Turbinen-Generatorgruppe 6 befindet sich in dem Zentralbe­ reich, Level 0, wobei ihre Aufgabe darin besteht, die Windener­ gie in mechanische Energie umzuwandeln und letztere ihrerseits in elektrische Energie.

Die Strömungsdrucksensoren befinden sich im Inneren der Ein­ trittsleitungen 1.

Das Steuersystem zur Steuerung des eintretenden Strömungsdruc­ kes und der Windrichtung, der Strömungseintrittssteuerventile 5 und des Sicherheitsventils 8 ist innerhalb des Zentralbereiches von Level 0 angeordnet. Es besteht im wesentlichen aus einem Computer mit geeigneter Software und elektronischer Ausstat­ tung.

Der obere Teil der Struktur ist kuppelförmig und aus einem transparenten Material hergestellt und er leuchtet den zentra­ len Bereich der Struktur mit Sonnenlicht.

Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass verschiedene Abän­ derungen der bevorzugten Ausführung möglich sind, die hier mit­ tels Beispiels beschrieben wurde. Die Erfindung sollte nur durch die Ansprüche ermittelten Gehalt begrenzt sein.

Claims (20)

1. Windkraftanlage mit einer in Form eines vom Boden aus nach oben ragenden dreidimensionalen Gebildes (11), bei dem

• - die Außenwände die Einlaßseite von Windeintrittsleitungen (1) aufweisen, die sich zu einem Zentralbereich des Gebildes er­ strecken,
• - die Windeintrittsleitungen im Zentralbereich mit einer Strö­ mungsleiteinrichtung (3) verbunden sind, die eine durch die Windeintrittsleitungen eintretende Windströmung zu einer Turbi­ nen/Generatoreinheit (6) leitet.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sicherheitsleitung (8) vorgesehen ist, um den über die Strömungsleiteinrichtung (3) zugeführten Wind an der Turbi­ nen/Generatorgruppe (6) vorbei abzuleiten.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sicherheitsleitung (8) ein Strömungsventil angeord­ net ist.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebilde (11) die Form einer Kugelkalotte aufweist.

5. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windeintrittsleitungen mit der Strömungsleiteinrichtung (3) über Kupplungselemente (2) verbunden sind, die zur Strö­ mungsleiteinrichtung (3) hin einen sich verengenden Querschnitt aufweisen.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kupplungselementen (2) Strömungsventile, insbesonde­ re Drosselklappen (5) angeordnet sind.

7. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl horizontal im mehreren Stufen übereinan­ der angeordnete Windeintrittsleitungen (1) aufweist.

8. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleiteinrichtung durch eine zentrale Rohrlei­ tung (3) gebildet ist, die im Verbindungsbereich mit Windein­ trittsleitungen bzw. Kupplungselementen (2) ringförmige Ab­ schnitte aufweist, die bei optionaler Anordnung in mehreren horizontalen Ebenen über schraubenförmige Rohrabschnitte mit­ einander verbunden sind.

9. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windeintrittsleitungen (1) durch spiralförmig verlau­ fende Strömungsleitabschnitte gebildet sind.

10. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß viele in einer horizontalen Ebene angeordnete Windein­ trittsleitungen (1) vorgesehen sind.

11. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralbereich eine rohrförmige Tragwand (4) für die zentrale Strömungsleiteinrichtung (3) aufweist.

12. Windkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragwand (4) die zentrale Strömungsleiteinrichtung (3) von einem senkrecht verlaufenden Zentralbereich abtrennt, in der die Turbinen-Generatoreinheit angeordnet ist.

13. Windkraftanlage dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer kompakten Betonstruk­ tur mit der äußeren Erscheinung einer Kugelkalotte und mit ei­ ner inneren radialen Form besteht, die auf verschiedenen Ni­ veaus folgende Elemente umfaßt:

• - auf der Außenseite nur die Eintrittsstellen für die Windein­ trittsleitungen (1), die durch die Wände und Innenwandung der eigentlichen Windeintrittsleitungen (1) getrennt sind, und die über die gesamte nutzbare Fläche der Struktur verteilt sind, mit Ausnahme ihres Fundamentes, das auf einer Betonplatte (7) ruht, und einer Kuppel (10) auf dem oberen Teil der Struktur; und
• - im Inneren, einen Satz an Windleitungen (1) mit einer spiral­ förmigen Gestalt relativ zum Zentralbereich der Struktur und horizontalen Kupplungselementen (2), die an den Enden aller Windeintrittsleitungen (1) angeordnet sind und im Innern der Kupplungselemente Steuerventile (5) in Form von beispielsweise Drosselklappenventilen enthalten; einer zentralen ringförmig bzw. schraubenförmig nach unten verlaufenden Rohrleitung (3), die von der Kuppeldecke der Struktur bis zum Boden verläuft und die Strömung aus allen Kupplungselementen (2) aufnimmt, wobei die schraubenförmige Leitung an ihrem unteren Ende mit einer Sicherheitsleitung (8) und dem Eingang einer Turbinen-Genera­ toreinheit bzw. -gruppe (6) verbunden ist; durch die aus bei­ spielsweise Beton hergestellte kreisförmige Tragwand (4), die die zentralen Rohrleitung (3) zu tragen hat; durch ein Sicher­ heitsventil innerhalb des Endes der Sicherheitsleitung (9) am Ausgang der Turbinen-Generatorgruppe; und schließlich durch die Kuppel (10) auf dem oberen Teil der Struktur, die den Zentral­ bereich mit Sonnenlicht erhellen soll.

14. Windkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Satz an Windeintritts­ leitungen (1) umfaßt, die horizontal ausgelegt sind mit einem rechteckigen inneren Querschnitt und einer schraubenförmigen Gestalt relativ zu dem Zentrum der Struktur welche sich von au­ ßerhalb der Struktur radial nach innen erstrecken und ihr Quer­ schnitt zunehmend enger wird.

15. Windkraftanlage nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Satz an stählernen Kupp­ lungsleitungen (2) an den Enden der Windeintrittsleitungen (1) umfaßt, die ausgehend von einem rechteckigen Format in einer zylindrisches Format übergehen und im inneren ein Ventil wie beispielsweise ein Drosselklappenventil enthalten und als eine Schnittstelle zwischen den Windeintrittsleitungen und ringför­ migen Abschnitten der zentralen Rohrleitung (3) fungieren.

16. Windkraftanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Rohrleitung (3) ei­ nen Satz an insbesondere stählernen ringförmigen Rohrringen (3) umfaßt, die durch schraubenförmige verlaufende Rohrabschnitte mit einem Spiralform umfaßt, die bestimmt sind, die von allen Kupplungselementen (2) kommende Strömung aufzunehmen, die durch entweder die Sicherheitsleitung (8) oder der Eingang zur Turbi­ nen-Generatorgruppe (6) entlassen wird.

17. Windkraftanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine aus Beton gefertigte kreisförmige Tragwand (4) umfaßt, die bestimmt ist, die zentra­ le Rohrleitung (3) zu tragen und als ein Separator zwischen letzterer und dem Zentralbereich des System wirkt.

18. Windkraftanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine stählerne Abgasleitung (9) mit einer schraubenförmigen Gestalt relativ zu dem Zentral­ bereich der Struktur umfaßt, die bestimmt ist, die Strömung nach außen zu leiten, nachdem sie die Turbinen-Generatorgruppe durchlief.

19. Windkraftanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass sie eine stählerne Sicherheitslei­ tung (8) mit einer schraubenförmigen Gestalt relativ zu dem Zentralbereich der Struktur umfaßt, die bestimmt ist, die Strö­ mung nach außen umzuleiten, die in Richtung der Turbinen-Gene­ ratorgruppe (8) strömt, wenn das Steuerventil, wie beispiels­ weise ein Drosselklappenventil aktiviert ist, dass in jedem Punkt mit dem Strömungseintrittsventil (5) auf der Innenseite identisch ist, wenn diese Strömung das System gefährdet oder eine Wartung erforderlich ist.

20. Windkraftanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kuppel (10) auf dem obe­ ren Teil der Struktur umfaßt, die aus transparentem Material hergestellt ist, und bestimmt ist, den Zentralbereich mit Son­ nenlicht zu erhellen.