DE19957141A1 - Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung - Google Patents
Windkraftanlage mit Vertikalrotor und FrontalanströmungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung zur Energiegewinnung, wobei ein dreiflügliger Rotor (5; 6) nach dem Durchströmprinzip zum Einsatz gelangt. Eine seitliche Einleitflächenkonstruktion (13) besitzt am hinteren Teil je einen Diffusor (17) an beiden Seiten. Die Anströmung (S) wird verdichtet und auf die Rotoren (5; 6) geleitet, welche durch eine mittlere Einleitflächenabtrennung (15) getrennt arbeiten. Die seitlichen Einleitflächenkonstruktionen (13) und die mittlere Einleitflächenabtrennung (15) besitzen eine besondere wie spezifische Anordnung unter Berücksichtigung der Wirkprinzipien der beiden Rotoren (5; 6), so daß die Rotorflügel (8; 9; 10) dazu eine in sich abgestimmte Einheit bilden. Der auf einem Mast (2) befindliche Funktionsaufbau wird mittels eines Drehkranzes immer dem Wind derart nachgeführt, daß die Windkraftanlage ideal von diesem angeströmt wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontal
anströmung zur Energiegewinnung, wobei zwei dreiflüglige Rotoren
Einsatz finden. Dabei arbeiten die dreiflügligen Rotoren mit einer
Rotorachse, welche vertikal im Wind steht. Das Einsatzgebiet für die erfin
dungsgemäße Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung
ist sowohl der Eigenheimbereich, als auch der Industriebereich und
zweckdienlich deren Einsatz in Windparks.
Mit der Lösung gemäß DE 198 23 473.2 ist eine Strömungsenergieanlage
bekannt. Diese Anlage stützt sich hauptsächlich auf die Art der
Windeinleitung. Dabei ist eine Bauhöhe von maximal 8 m vorgegeben.
Die Palette der Bauart geht von einem Rotor, bis hin zu sechs Rotoren
und von 6 bis zu 18 Einleitflächen. Die gesamte Anlage ist auf einem Mast
angeordnet, welcher in einem Fundament ruht. Die oberen und die
unteren Einleitflächen tragen keine Winkel und stehen relativ steil nach
außen. Die vertikalen Einleitflächen lassen sich verstellen sowie ein- und
ausfahren. Es wurde offenbart, daß jede mögliche Anzahl von Rotoren
und auch Windeinleitflächen, gleich welcher Winkelstellungen, möglich
sind. Lediglich die Anordnung mit zwei Rotoren wurde als unzweck
mäßige Lösung ausgelassen. Es wird auch bezüglich der Anzahl der
Rotorflügel von zwei bis drei und mehreren variiert. Es werden
lösungsgemäß sogar gekrümmte und gerade Rotorflächen, vom Halbkreis
über die Tropfenform, bis hin zu geraden Rotorflächen aufgezeigt. Die
Angabe der Materialien der einzelnen Bauteile reicht von Metall über
mechanisch hoch belastbaren Kunststoff, bis hin zu Kunstfasertextilien.
Diese Anlage wird sowohl für Luft, als auch für Wasser gleichzeitig
bezüglich ihres Einsatzes benannt. Der besondere Effekt soll darin liegen,
daß die Anzahl der Rotoren auf den Rotorträgern, oder die Anzahl der
Rotorträger mit Rotoren erhöht wird. Es wird angegeben, daß bei klarsich
tigem Material die Anlage fast nicht sichtbar ist, daß heißt, sie paßt sich
der Umgebung in solchem Maße an, daß sie nicht stört und auffällt. Insge
samt ist die aufgezeigte Lösung zu allgemein und ohne eine gezielte
Spezifikation, beziehungsweise einem bestimmten Bereich zugeordnet,
weshalb auch nur unzureichend eine Abgrenzung möglich ist. So wird zu
den Einleitflächen keinerlei Winkelangabe offengelegt und lediglich
angegeben, daß die vertikalen Einleitflächen verstellbar angeordnet sind.
Es fehlt ferner die klare sowie wichtige Aussage, wann und wie die
Einleitflächen mit den Rotorflügeln im Anstellwinkel zueinander stehen
sollten. Hingegen ist das Ein- und Ausfahren der Einleitflächen eine
wirkungslose aufwendige Technik, weiche keinerlei positiven Effekt
bewirkt. Die Anordnung mehrerer Rotoren von der Zahl 3 an aufwärts auf
einer Arbeitsetage ist dabei wirkungslos und führt zu keinem Effekt, weil
sich die Rotoren gegenseitig behindern und eine notwendige
Durchströmgeschwindigkeit von 15% nicht realisiert werden kann.
Mit der DE 195 14 499 ist eine weitere Lösung für eine Windkraftanlage
bekannt. Diese Anlage stellt eine weitestgehende Näherung an die her
kömmlich bekannten Windmühlen seit mehreren hundert Jahren dar.
Diese Anlage muß dabei je nach Anströmungsrichtung immer dem Wind
nachgestellt werden. Diese Anlage besitzt keinen Durchströmrotor und
setzt nur den Winddruck mit etwa 15% aus der Windgeschwindigkeit um.
Derartige Anlagen unterliegen sehr großen Ausfallzeiten, außerdem blei
ben sie trotz relativ hoher Windgeschwindigkeiten von etwa 10 bis 20 m/s
Langsamläufer.
Mit der DE 299 00 664 U1 ist eine weitere Lösung für eine Windkraftanla
ge bekannt. Das Leitwerk dieser Anlage verlangt eine relativ hohe End
geschwindigkeit, um daß es sich der Windrichtung nachführt. Durch eine
fehlende Antrichterung streicht die Windströmung nur an der Anlage
vorbei. Sie kann nur zur freien Seite ausweichen. Es entsteht ein
Wirbelpolster, an welchem die Strömung vorbeigeleitet wird. Dies erfolgt
nach Sättigung des Aufnahmevolumens des Rotors, welcher ohne Durch
strömung arbeitet. Diese Anlage ist für alle nicht zeitkinetischen Prozesse
geeignet und sie fängt erst bei einer relativ hohen Windgeschwindigkeit
an zu arbeiten. Eine derartige Anlage besitzt keine gute Frequenz
konstanz.
Mit der DE 31 29 660 ist ein Windrad zur Umsetzung von Windenergie in
eine Rotationsbewegung bekannt, bei welchem für eine Windkraftmaschi
ne, mit einem mit einer Mehrzahl von Rotorblättern ausgebildeter Rotor,
dessen Rotorachse etwa senkrecht zur Ebene der möglichen Windrich
tung steht, eine Erhöhung des Wirkungsgrades dadurch erreicht werden
soll, indem der Rotor von einem Stator umgeben ist, der eine Vielzahl von
gleichbeabstandeten Statorblättern aufweist, welche schräg zum Rotor
verlaufende und auf eine seitliche Umfangfläche des Rotors mündende,
sich zum Rohr hin verjüngende Kanäle bilden.
Diesem Windrad und seiner Anlage haftet jedoch der Nachteil an, daß sie
einen zu geringen Teil der im Wind stehenden Einleitflächen zum Umset
zen in Energie nutzt. Ursache hierfür ist der Umstand, daß die Einleit
flächen zu flach anliegen, wodurch etwa ein wertet der Windkraft nicht
zum Tragen kommt und nach außen geleitet wird. Da der Rotor ohne
Durchströmung arbeitet, wird auch die dringend notwendige Strömungs
geschwindigkeit von etwa 15% unterschritten. Bestenfalls ist dieser Rotor
nur in der Lage, etwa 15% der Windkraft aus dem Bereich der Druckkraft
umzusetzen. Das hat zur Folge, daß unter Last die Leistung erheblich
abbaut. Diese Windkraftanlage ist deshalb für nur geringe Windgeschwin
digkeiten nicht geeignet. Der Rotor und die Einleitflächen gewährleisten in
der gewählten Anordnung kein effektives Zusammenwirken.
Ferner ist mit der Schrift WO 81/00463 eine weitere Windkraftanlage be
kannt. Diese Anlage verfügt über 12 Einleitflächen, welche aber zu flach
ausgestaltet sind, und wobei die horizontal angeordneten Einleitflächen zu
steil angestellt sind.
Damit ist der Nachteil verbunden, daß sich ein unerwünscht hoher Druck
aufbaut, wodurch es zu Rückströmungen kommt. Der Rotor besitzt 24
Schaufeln und arbeitet ohne Durchströmung, womit die etwa 15%
notwendige Strömungsgeschwindigkeit nicht realisiert werden, welche
aber dringend benötigt werden. Da nur die Druckkraft im Rotor arbeitet,
können auch nur etwa 15% der Windkraft umgesetzt werden. Unter Last
bricht die Leistung zusammen, weshalb diese Windkraftanlage für
niedrige Windgeschwindigkeiten im Bereich von vorzugsweise 1 m/s bis 3 m/s
nicht geeignet ist. Die Druckkraft arbeitet in den Rotorflügeln nur bis
zum Leitflächenende und überträgt den Druck nachfolgend in das nächste
Fach, wo dieser dann unerwünscht zum Gegendruck wird.
Ferner ist mit der DE 30 01 385 eine weitere Lösung für eine Windkraftan
lage bekannt. Hierbei besteht der Rotor aus Schaufeln, wodurch er für
eine zweckdienliche Durchströmung nicht geeignet ist. Die gewählte
Lösung mit 12 Einleitflächen ermöglicht durch eine zu flache Anstellung
nicht eine optimale, daß heißt größtmögliche Windangriffsfläche, wodurch
die Schaufeln nur den Druck aus der Windkraft umsetzen. Die Schaufeln
im Rotor entladen den Druck im nachfolgenden Einleitfach, wodurch es
wiederum zu unerwünschten Gegenströmungen kommt. Auch bei dieser
gewählten Lösung ist der Nachteil zu verzeichnen, daß die Leistung sehr
schnell abbaut und die Nutzung einer Windgeschwindigkeit in den Größen
von nur 1 m/s bis etwa 3 m/s nicht möglich ist.
Weiterhin ist mit der WO 91/19093 eine weitere Lösung bekannt, welche
auf dem Grundprinzip der Durchströmung arbeitet, wobei die Kräfte aus
dem Wind in Form des Druckes sowie des Segelzuges genutzt werden.
Dabei werden 16 Einleitflächen auf einen achtflügligen Rotor abgestimmt.
Die gewählte Konstruktion mit ihrem aufgezeigten Einleitflächenprinzip
erbringt eine Nutzung von etwa 85% der Windfläche am Bauwerk, bezie
hungsweise an der Anlage. Die offenbarte Einleitflächenausstellung steift
eine relativ günstige Ausführungsform dar, ohne jedoch dem Idealzustand
nahe zu kommen. Auf solche Weise wird der Wind nach außen abge
fälscht, woraus letztlich ein Kapazitätsverlust zu verzeichnen ist. Trotz der
gegebenen Durchströmfähigkeit bilden die acht Rotorflügel in sich einen
Trichter, der das Durchströmen behindert. Bei der gewählten Rotor
flügetform sind diese zu kurz ausgeführt, wodurch der Wind auch einen zu
kurzen Arbeitsweg absolviert. Dadurch arbeitet in dieser Anlage nur der
Winddruck und der Segelzug, bei fehlender günstiger Aerodynamik. Die
Durchströmluft arbeitet nicht von innen nach außen, weil die Luft
entgegen dem Trichterverhalten der Flügel nicht wirksam wird. Der
Abstand zwischen dem Rotor und dem Einleitflächengehäuse wirkt
nachteilig, weil er zu groß ausgeführt ist. Die horizontalen Einleitflächen,
die einen solchen Verlust verhindern könnten, fehlen in dieser Anlage.
Mit der DE 88 04 674 ist noch eine weitere Lösung für eine
Endkraftanlage bekannt. Diese offenbart als Lösungsvariante einen
Vertikalrotor, welcher nach dem Prinzip von Savonius arbeitet. Dabei
wurden lediglich der Anstellwinkel und die Flügelkrümmung verändert.
Der Durchströmrotor wird durch die zu stark gerundeten Flügelflächen zu
einem extremen Langsamläufer. Nachteilig wirkt auch die Bremsung
durch die entgegenlaufenden Schaufeln im Winddruck. Diese Anlage
besitzt keinen Segelzug und keine Aerodynamik. Würde sie mit
Einleitflächen ausgestattet sein, würde sie als Langsamläufer relativ gut
bei niedrigen Windgeschwindigkeiten arbeiten. Bei höheren Wind
geschwindigkeiten pegelt sich dieser Langsamläufer rasch, vergleichbar
mit einem Fliehkraftregler, auf niedrige Umdrehungszahlen ein. Für hohe
Leistungen ist dieser Rotor nicht geeignet.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe eine Windkraftanlage mit
Vertikalrotor und Frontalanströmung sowie zugehörigen Windleitflächen
zu schaffen, welche optimal alle nur möglichen Windkräfte auch in
Energie umsetzt. Besonderes Augenmerk wird dabei auf ein
bestmögliches Zusammenwirken und Umsetzung aller aus dem Wind
nutzbaren Kräfte gelegt. Außer der vielfältigen Nutzung umgesetzter
Windenergien wird ferner auf eine verwertbare Frequenzkonstanz und
eine günstig angepaßte, ausgewogene Gewichtsverteilung geachtet,
welche im Zusammenwirken der Einleitflächenanlage, von Rotor,
Rotorflügeln und Bauwerk verzeichnet wird. Dabei besteht die endungs
gemäße Aufgabe besonders auch darin, daß bereits bei 1,5 m/s Windge
schwindigkeit die Arbeit zur Energiegewinnung aufgenommen wird.
Ferner steht die Aufgabe, daß bei orkanartigen Situationen die Windkraft
anlage zuverlässig arbeitet und nicht aus dem Wind genommen werden
muß. Das hat auf solche Art und Weise zu geschehen, daß die Anlage
auch die hohen Windgeschwindigkeiten ohne zu bremsen voll zur
Energiegewinnung nutzt. Dabei ist die Anlage jedoch für extrem hohe
Windgeschwindigkeiten mit einem Selbstschutz ausgestattet, wodurch ein
Druckpolster vor Zerstörung schützt. Es steht weiterhin die Aufgabe, daß
der Maschinenteil des gesamten Bauwerkes aus einer festen
Einleitflächenstatik besteht und keine zusätzlichen Bauteile die Funktion
der Windkraftanlage behindern, beziehungsweise platzmäßig
einschränken. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage steift sich weiter
die Aufgabe, daß die einzelnen Baugruppen derart harmonisch
aufeinander abgestimmt sind, daß die verschiedenen auftretenden Kräfte
und Geschwindigkeiten in keiner Phase des Betriebes sich behindern
oder gar aufheben. Dazu soll das Bauwerk eine geschlossene Einheit
bilden und die Form sowie das Aussehen eines großen Trichters auf
einem Mast ähneln. Das Bauwerk soll dabei nicht nur der Natur angepaßt
sein, sondern auch eine gute Werbemöglichkeit bieten. Schließlich sollen
kostengünstige Materialien zum Einsatz gelangen und die Anlage
einfache, aber robuste Technik verkörpern, bei welcher der Magnuseffekt
hinter der Anlage wie ein starker Sog zum Tragen kommt. Die
erfindungsgemäße Windkraftanlage stellt sich schließlich die Aufgabe,
ungehindert mit Druckkraft, Segelzug und Aerodynamik arbeiten zu
können.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 aufgezeigten technischen Merkmale.
Lösungsgemäß besteht die erfindungsgemäße Windkraftanlage aus
einem Fundament mit Mastkorb, einem Mast, zwei Rotoren und
Einleitflächenkonstruktion sowie Drehkranz und Generatoren.
Im oberen Aufbau des Mastes sind zwei Rotoraufnahmen für zwei
Einzelrotoren angeordnet. Aufgrund der Einleitflächenkonstruktion läuft
ein Rotor rechts und ein Rotor links um seine Achse. Die Rotorzylinder
werden bevorzugt auch ohne Mittelachse gebaut, da die drei Rotorflügel
mit dem oberen und unteren Rotorboden eine geschlossene Statik bieten.
Links und rechts der Anlage befindet sich eine vorgezogene
Strömungsnase, welche die gesamte Frontalströmung hundertprozentig
aufnimmt und durch die Anlage leitet. Es entsteht dabei eine
Eintrichterung. Die geraden Seitenflächen der äußeren Begrenzung
laufen am hinteren Ende auf beiden Seiten in Rundung nach außen und
bilden einen Diffusor. Dadurch entsteht am hinteren Teil der Rotoren ein
Sog. Die Mittelteilung ist so schlank zwischen beiden Rotoren angebracht,
daß der Wind in seiner Hauptrichtung immer auf die Spitze zeigt und
kaum eine Richtungsänderung verursacht. Die vordere Spitze liegt auf der
Frontlinie der beiden Rotoren im Horizontalschnitt gesehen. Je nach
örtlichen Gegebenheiten wird die Spitze weiter versenkt oder
hervorgezogen. Nach den Rotoren allerdings wird die Mittelteilung den
Rotoren so weit nachgeführt, daß der hintere Rotorflügel in dem Moment
in das Freie dreht, wenn der vorhergehende Flügel den Stall-Effekt
vollzieht. Dabei muß aber beachtet werden, daß die hintere Öffnung
größer sein muß als der vordere Eintritt. Somit ergibt sich eine ideale
Anordnung von Maß und Abstand. Notfalls kann mit der Dicke der Kon
struktion der Diffusor ein wenig variiert werden, um Verhältnisse zu
optimieren. Über und unter den Rotoren muß mit den Einleitkonstuktionen
zusammen eine Abdeckung erfolgen, damit der aufgebaute Druck nicht
nach oben oder nach unten wirkungslos entweichen kann. Aus dem
Angebot der besten bekannten Technik wird die idealste Windnach
führtechnik eingesetzt, weshalb diese erfindungsgemäß ausgenommen
ist. Die Windnachführung in Richtung der günstigsten Strömung ist für
diese Anlage ein zwingendes Erfordernis. Der freistehende Mast beträgt
dabei zur gesamten Bauhöhe etwa 40% und der obere Funktionsaufbau
efinra 60%. Die vorderen Nasen, welche sich links und rechts der Anlage
befinden, besitzen eine Länge die etwa dem Rotordurchmesser
entspricht. Der hintere Abstand der Leitflächen auf beiden Seiten besitzt
eine Diffusor Ausbildung mit einer Länge von etwa 70% des
Rotordurchmessers. Der entsprechende Funktionsaufbau im Grundgestell
muß jeweils zur Bauhöhe eine dem Mast angepaßte statische Zuordnung
erhalten. Die Funktionsweise des Rotors hat in dieser Anlage trotz
Durchströmtechnik eine ganz separate und neue Arbeitsspezifik.
Durch die beidseitige Eingrenzung des gesamten Frontpotentials an Strö
mungsenergie konzentriert sich die Durchströmung in der Anlage auf den
Mittelteil und verdichtet sich auch dort. Am Rand der Nase zum Rotor wird
der Flügel mit Segelzug in das Fach gerissen und die Aerodynamik führt
ihn bis fast zum Fachende. Vorher setzt der Stall-Effekt ein, also der Abriß
der Aerodynamik richtet hier keinen Schaden an. Der hinter dem Flügel
sofort einsetzende Sog übernimmt den weiteren Antrieb des Flügels.
Dadurch erhält man einen Arbeitsbereich am Rotor, welcher mindestens
50% des Außenumfangs einnimmt. Kein anderer Rotor besitzt einen
derart großen Arbeitsbereich. Da nach dem Abreißen der Aerodynamik
sofort der Strömungsdruck auf den Flügel wirkt und auf der anderen Seite
der Sog zieht, beginnt sogar eine Doppelarbeit auf beiden Seiten, welche
in gleicher Richtung wirken. Der Sog entsteht durch die Diffusor, welche
auf beiden Seiten im hinteren Teil der Anlage angebracht sind und im
hinteren Teil der Strömungsarbeit hinter der Anlage arüeiten. Durch die
Diffusor bildet sich der Magnus-Effekt, der durch diese Anordnung in
Leistung umgesetzt wird. Zugleich wird dafür gesorgt, daß die Mindest
durchströmung von 15% weit überschritten wird und dem Rotor ein
besseres Drehmoment zuteil werden läßt. Die höhere Durchström
geschwindigkeit, die dadurch ungewöhnlich höher ist, setzt damit im
Arbeitsbereich des Segelzuges und der Aerodynamik extrem höhere
Kräfte um. Das rührt daher, weil die Aerodynamik durch eine höhere
Arbeitsgeschwindigkeit eine progressive Steigerung zur Folge hat. Die er
findungsgemäße Lösung bietet ein neuartiges Ineinanderarbeiten und
Zusammenwirken der Strömungskräfte im Durchströmrotor. Es wird ein
Effekt bewirkt, welcher durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
- a) Das Ablösen der Aerodynamik durch den Strömungsdruck im Moment des Stall-Effektes;
- b) Das sofortige Einsetzen des Soges auf der Gegenseite des Flügels im Flügelzwischenraum im Moment des Stall-Effektes;
- c) Das Einsetzen des Druckausgleiches im Rotorfach, nach dem Arbeitsgangfach, welches im exakt richtigen, daß heißt günstigsten Moment durch die Flügelabstände der Rotormitte stattfindet. Würde das nicht der Fall sein, so würde der Sog. welcher durch den Magnus-Effekt erzeugt wird, am Passivflügel entgegen der Rotation ziehen, bevor er in seinen Arbeitstakt eintritt.
- d) Das Zusammenwirken von a., b. und c. zum gleichen Zeitpunkt.
Die Einleitflächen in ihrer Gesamtdarstellung und Statik sind aus festem
und widerstandsfähigem Material ausgeführt. Jedoch dürfen auf keinen
Fall die Flächen der Einleitkonstruktion aus elastisch nachgebendem
Material ausgeführt sein, wie beispielsweise Planen, Textilien oder
anderweitige, nachgiebige Kunststoffe. Derartige Stoffe ziehen aus der
verwendbaren Energie unnötige Bewegungen in die Anlage, die nicht
umgesetzt werden kann. Die zeitgenaue Strömung geht dabei ebenfalls
verloren und die Strömungsenergie erhält unerwünschte Druckschläge.
Der Rotor besitzt drei Flügel, die auf Durchströmung ausgerichtet sind.
Dabei ist der hintere, innere Teil der Flügel mit einem Abstand zur
Mittelachse ausgestaltet, der mindestens ein Achtel der Flügeltiefe
beträgt. Jeder Flügel besitzt im Innenbereich der Flügelkrümmung am
vorderen Teil hinter der Frontkrümmung seinem Querschnitt nach eine
Hakenausbildung. Diese hakenförmige Ausbildung der Flügelkrümmung
entspricht ihrer Wirkung und Aufgabe nach, einer Windfangleiste. Dabei
entsteht beim Entweichen der Druckkraft der Strömung eine Verwirbelung
und damit ein Angriffspolster, welches in der Lage ist, noch besonders
lange den Druckarbeitsgang aufrecht zu erhalten und mit größter Kraft am
äußeren Hebel zu drücken, beziehungsweise zu wirken. Durch das
Zusammenwirken dieser Gegebenheiten entsteht eine besonders
günstige Frequenzkonstanz. Die Nasenabdeckung vor dem jeweiligen
Rotor in der Anlagenfront zieht sich soweit in den Innenbereich, damit
maximal bis zur Flucht der Rotormitte die Abschirmung der
gegenlaufenden Schaufel abgedeckt wird. Der Abstand der Mittelleitfläche
zu den Rotoren übersteigt das Maß von 5 cm nicht, damit nicht
ungenutzte Strömung hindurch geleitet wird. Der gleiche Abstand wird
auch zweckdienlich zu den restlichen Einleitflächen gebildet. Eine leichte
Rundung im Dachbereich der Anlage ist von strömungstechnischem
Vorteil. Die obere und die untere Anströmung der Leitflächen ist derart
ausgeführt, daß die Strömung oben und unten nicht außerhalb des
Rotorbereiches abweicht. Die mittlere Einleitflächenabtrennung besitzt
einen Verdrängungswinkel von nicht größer als 12 Grad.
Als Variante gibt es hierzu auch die Anströmtechnik mit nur einem Rotor,
wobei die Mitteltrennung zur Außeneinleitfläche wird.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Horizontalschnitt der Windkraftanlage,
Fig. 2 Horizontalschnitt eines Rotors,
Fig. 3 einen Rotorflügel im Querschnitt,
Fig. 4 die Grundkonstruktion mit zwei Einzelrotoren,
Fig. 5 die einrotorige Variante im Horizontalschnitt,
Fig. 6 die einrotorige Variante im Längsschnitt.
Auf einem Fundament 1 steht ein Mast 2, der in diesem mit einem
Mastkorb 3 verbunden ist. Über dem Mast 2 befindet sich die Rotor- und
Leitflächenaufnahme 7 sowie die Dreheinrichtung. In dieser befinden sich
die Rotoren 5 und 6 nebst der äußeren Einleitflächenkonstruktion 4 sowie
der mittleren Leitflächenabtrennung 15. Ein Rotor 5 besteht aus je drei
Flügeln 8, 9, 10 und einem oberen Rotorboden 11 sowie einem unteren
Rotorboden 12. Die seitlichen Einleitflächenkonstruktionen 13 sind
spiegelbildlich angeordnet und besitzen vorne eine Einleitspitze 14 mit
einer inneren Strömungsableitung 16 und am hinteren Teil einen Diffusor
17. Der Abstand der Eintrichterung 19 von der Einleitspitze 14 bis zur
Rotorfront 18 entspricht dem Rotordurchmesser 20. Der Diffusor 17 weist
einen Längenüberstand 22 zur hinteren Rotorfront 21 von etwa 70% des
Rotordurchmessers 20 auf. Die mittlere Einleitflächenabtrennung 15
besitzt einen Keilwinkel 23 von 12 Grad. Die Hinterseite 24 endet
vorzugsweise mit einer funktionsmäßig an sich unbedeutenden Spitze.
Der Querschnitt der Rotorflügel 8, 9, 10 in Fig. 2 zeigt die Verwirbelung
W beim nach Außentreten des Strömungsdruckes D. Die drei Rotorflügel
8, 9, 10 stehen derart zueinander, daß mindestens ein Achtel der Flügel
tiefe die Durchströmlücke M zwischen Flügel 9 und Rotormitte 25 bilden.
Die gesamte Windkraftanlage in Fig. 1 zeigt mit den Drehpfeilen Z, wie
diese dem Wind nachgeführt wird. An den Pfeilen der
Rotordrehrichtungen R wird die Arbeitsweise verdeutlicht. Die Anström
richtung S zeigt die Verarbeitung im gesamten Frontanströmbereich 26.
Die Flügelstellung 27 zeigt den beginnenden Arbeitsgang des Segel
zuges. Die nachfolgend eingreifende Flügelstellung 28 der Aerodynamik
zeigt die Arbeitsweise bis zum Erreichen des Punktes des Stall-Effektes
29 und der eintretende Sog X, der durch den Diffusor 17 im Magnuseffekt
erzeugt wird. Im Rotor 5, 6 wird die Arbeitsweise des Druckausgleiches B
im nicht arbeitenden Teil des ruhenden Flügelfaches 30 sichtbar gemacht,
bevor der Sog X auf den arbeitenden Rotorflügel 28 wirkt. Bedeutsam ist,
daß der Strömungseintritt 32 kleiner ist, als der Strömungsaustritt 31. Das
Dach 33 der Windkraftanlage ist für eine günstige Strömungstechnik im
Gesamtwirken der Anlage gebogen ausgeführt. Die horizontalen
Strömungseinleitungen 34 oben und die horizontalen Strömungseinlei
tungen 35 unten sind derart angebracht, daß keine Strömung S oberhalb
und unterhalb des Rotors 5 nutzlos vorbeistreicht. Als Variante werden die
vordere Einleitspitze 14 mit einer Rundung ausgestattet, welche zur
Geräuschdämpfung beiträgt.
In Fig. 3 wird der Horizontalschnitt eines Rotorflügels 8, 9 oder 10 mit
dem Hakenprofil als Windfangleiste 36 gezeigt, indem sich in den
vorderen Hakenbereich die Auswärtsströmung V des Rotors über die
Verwirbelung W gemäß Fig. 2 hinweg drückt.
In der Variante, beziehungsweise Ausführung einer Windkraftanlage mit
zwei Einzelrotoren 5, 6 sind mehrere Etagenanordnungen übereinander
ausführbar. Ausschlaggebend für die Anzahl der Etagen ist ausschließlich
die zugehörige Auslegung und Anpassung der Statik.
1
Fundament
2
Mast
3
Mastkorb
4
Einleitflächengrundkonstruktion
5
Rotor R
6
Rotor L
7
Rotor- und Leitflächenaufnahme/Dreheinrichtung
8
Flügel 1
9
Flügel 2
10
Flügel 3
11
oberer Rotorboden
12
unterer Rotorboden
13
seitliche Einleitflächenkonstruktion
14
vordere Einleitspitze
15
mittlere Einleitflächenabtrennung
16
innere Strömungsableitung
17
Diffusor
18
Rotorfront
19
Abstand der Eintrichterung
20
Rotordurchmesser
21
hintere Rotorfront
22
Längenüberstand des Diffusors
23
Keilwinkel
24
Hinterseite
25
Rotormitte
26
Frontanströmbereich
27
Flügelstellung Segelzug
28
Flügelstellung Aerodynamik
29
Punkt des Stall-Effektes
30
ruhendes Flügelfach
31
Strömungsaustritt
32
Strömungseintritt
33
Dach
34
Strömungseinleitfläche horizontal oben
35
Strömungseinleitfläche horizontal unten
36
Windfangleiste mit Hakenprofil
R Rotationsrichtung
B Druckausgleich
V Auswärtsströmung im Rotor
D Strömungsdruck
M Durchströmlücke
Z Drehpfeil der Nachführvorrichtung
X Sog
W Verwirbelung
S Anströmung
R Rotationsrichtung
B Druckausgleich
V Auswärtsströmung im Rotor
D Strömungsdruck
M Durchströmlücke
Z Drehpfeil der Nachführvorrichtung
X Sog
W Verwirbelung
S Anströmung
Claims (16)
1. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung unter
Einsatz von zwei Vertikalrotoren nach dem Grundprinzip der
Durchströmung, dadurch gekennzeichnet, daß die gegeneinander
laufenden Rotoren (5; 6) mit drei aerodynamisch ausgestalteten
Flügeln (8; 9; 10) mit einer hakenförmigen Windfangleiste (36)
ausgestattet sind, die Rotoren (5; 6) die Windzufuhr über die gesamte
Frontfläche des Frontanströmbereiches (26) erhalten und diese über
eine Einleitflächenkonstruktion (4) eintrichtern.
2. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese auf einem Mast (2)
sitzt, welcher mittels eines Mastkorbes (3) auf einem Fundament (1)
aufsitzt und sich darauf ein Statikaufbau befindet, welcher für die
Aufnahme von zwei Rotoren (5; 6) ausgelegt ist; der mit zwei
seitlichen Einleitflächenkonstruktionen (13), mittleren Einleitflächen
abtrennung (15) und einem gewölbtem Dach (33) sowie horizontaler
Strömungseinleitfläche (34) oben und horizontaler Strömungs
einleitfläche (35) unten, an den Rotoren (5; 6) ausgestattet ist.
3. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windkraftanlage so dem
Wind nachgeführt wird, indem der Frontanströmbereich (26) immer
ideal in der Anströmung (S) steht und die beiden Diffusoren (17) am
hinteren Teil den Magnuseffekt in Unterdruck, als einen Sog (X) in
zusätzliche Energie umwandeln.
4. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderen Einleitspitzen
(14) der vorderen Einleitfläche (13) bis maximal zur Mittelfluchtlinie
der Rotoren (5; 6) mit einer inneren Strömungsableitung (16) in Form
einer hohlen Kurve reichen und die mittlere Einteitflächenabtrennung
(15) in der Anströmfront mit einem Keilwinkel (23) von etwa 12 Grad
ausgestattet ist.
5. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Einleitflächen
konstruktion (13) an ihrer Außenseite bis zum hinteren Teil des
Diffusors (17) gerade verläuft und danach eine Krümmung nach
außen beschreibt, wobei die Nasenlängen in der Front ab der
Rotorflucht dem Rotordurchmesser (20) entspricht und die der
Diffusor (17) nur 70%.
6. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungseintritt (32)
kleiner ist als der Strömungsaustritt (31).
7. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im passivsten Arbeitsgang
bei den Flügelabständen ein Druckausgleich (B) mittels
Durchströmung erfolgt.
8. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den
Flügeln (8; 9; 10) und der Rotormitte (25) ein Achtel der Flügeltiefe
entspricht.
9. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (8; 9; 10) der
Rotoren (5; 6) mit einer aerodynamisch ausgebildeten Form
ausgestattet sind und dazu eine Windfangleiste (36) mit Hakenprofil
aufgebracht ist.
10. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von der
Aerodynamik zum Strömungsdruck im Augenblick des Stall-Effektes
erfolgt, wobei sofort der Sog (X) an der anderen Seite des Flügels (8;
9; 10) arbeitet und das vakuumbelegte Flügelfach ausschöpft.
11. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere
Nachführung der mittleren Einleiflächenabtrennung (15) vom Moment
des Stalleffektes des Rotorflügels (8) bis zum Maß des
vorausdrehenden Flügels (9) reicht.
12. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Variante mit einem
Rotor (5) die fehlende zweite seitliche Einleitflächenabtrennung (13)
die Hälfte der mittleren Einleitflächenabtrennung (15) ersetzt und am
hinteren Teil auch ein Diffusor (17) angeordnet ist.
13. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Rotoren
(5; 6) durch die zugehörige Einleitflächengrundkonstruktion (4) mit den
dazugehörigen seitlichen Einleitflächenkonstruktionen (13) sowie der
mittleren Einleitflächenabtrennung (15) derart ausgelegt sind, daß
eine gegenläufige Rotation bewirkt wird.
14. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale
Strömungseinleitfläche (34) oben und die horizontale Strömungsein
leitfläche (35) unten, die Anströmung (S) bis zur effektiven
Durchströmung leitet.
15. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freistehende Mast (2)
etwa 40% und der darauf befindliche obere Funktionsaufbau etwa
60% der Bauhöhe entspricht.
16. Windkraftanlage mit Vertikalrotor und Frontalanströmung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windfangleiste (36) mit
einem Hakenprofil ausgestattet ist, welche eine Verwirbelung (W)
bewirkt, wodurch eine zusätzliche Hebelkraft am Rotor (5; 6) zum
Wirken kommt und eine Frequenzkonstante erreicht wird.
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