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Die
Erfindung betrifft eine windrichtungsunabhängige Windkraftanlage mit Vertikalrotor
zur Energiegewinnung, wobei ein dreiflügliger Rotor nach dem Durchströmungsprinzip
die Energie umsetzt. Die äußere Einleitflächenkonstruktion
ist mit dem Grundkörper
turmartig. Die Einsatzgebiete dieser Anlagen sind der Industriebereich,
Windparks und der Eigenheimbereich.
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Mit
der Lösung
DE 29900664 ist eine artgleiche
Strömungsenergieanlage
bekannt. Damit das Leitwerk überhaupt
arbeitet, bedarf es zur Nachführung
in Windrichtung einer sehr hohen Windgeschwindigkeit. Der Wind strömt an der
Anlage nur vorbei, weil keine Strömungsantrichterung vorhanden
ist. Das bedeutet, dass die Strömung
an der freien Seite ausweicht. Es entsteht dabei ein Wirbelpolster,
wobei die Strömung
vorbei geleitet wird. Dieser Zustand tritt sofort ein, wenn die
Sättigung
des Aufnahmevolumens im Rotor erfolgt ist. Es ist auch negativ zu
werten, dass der Rotor ohne Durchströmung arbeitet. Die Anlage besitzt
auch keine ausreichende Frequenzkonsistenz und fängt erst bei relativ hohen Windgeschwindigkeiten
an zu arbeiten. Dabei wird aber nicht sofort Leistung erzeugt.
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Mit
der
DE 195 14 499 ist
eine weitere Lösung
für eine
Windkraftanlage bekannt. Diese Anlage arbeitet nach dem Winddruckprinzip.
Da sie keinen Durchströmrotor
besitzt, werden nur etwa 20% aus der Strömung in Energie umgesetzt.
Selbst der Winddruck kann sich in diesem Rotor nicht richtig entfalten.
Wegen der schlechten Frequenzkonstanz unterliegen solche Anlagen
großen
Ausfallzeiten. Selbst bei Windgeschwindigkeiten von 10 bis 30 m/s
bleiben es immer Langsamläufer.
Diese Anlage wird gegenüber
anderen Anlagen, die mit aerodynamischer Flügelform und Durchströmung arbeiten,
immer benachteiligt sein, da diese in der Lage sind, etwa 42% aus der
Strömung
umzusetzen. Da der Rotor nach dem Winddruckprinzip im Gegensatz
zur Strömungsgeschwindigkeit
immer extrem langsamer laufen wird, leidet die Statik vor allem
bei solchen hohen Windlasten. Auch das Drehmoment leidet darunter.
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Mit
der Lösung
gemäß
DE 19920560.4 ist eine
weitere Strömungsanlage
bekannt. Die 12 angeordneten Leitvorrichtungen erlauben nur eine
70%ige Nutzung der Frontanströmung.
Durch die drei Rotorflügel
und deren Form entsteht in der Rotormitte eine Drucksäule, die
gleichermaßen
die Durchströmung abbaut.
Die angeordnete aerodynamische Flügelform kann sich deshalb auch
nicht entfalten.
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Weiterhin
ist mit der Schrift WO 81/00463 eine weitere Windkraftanlage bekannt.
Die Anlage besitzt 12 Einleitflächen
vertikal und 12 Einleitflächen horizontal.
Im Rotor dieser Anlage sind 24 Schaufeln angeordnet. Nachteilig
wirken in dieser Anlage die zu flach anliegenden Einleitflächen. Dadurch
baut sich eine zu hohe Rückströmung in
den Einleitflächen
auf, welche die eigentliche Einströmung zum Rotor nicht zulässt. Dabei
wird bereits ein hoher Anteil an Energie vernichtet. Die 24 Schaufeln
im Rotor besitzen keine Durchströmung,
wodurch die dringend nötige Durchströmung von
etwa 15% stark unterschritten wird. Dadurch kann die einzige arbeitende
Druckkraft von theoretisch 15% nicht einmal umgesetzt werden. Die
Strömung
bricht zusammen. Der Strömungsdruck
arbeitet in den Rotorflügeln
nur bis zum jeweiligen Leitflächenende
und entlädt
den Druck im nachfolgenden Fach. Die Folge ist ein unerwünschter
Gegendruck.
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Die
DE 31 29 660 offenbart eine
weitere Lösung
für eine
Windkraftanlage. Die Umsetzung der Windenergie in Rotationsenergie
erfolgt mit einer Vielzahl von Rotorblättern an den Rotoren. Die Rotorachse
selbst steht dabei senkrecht zur Ebene der möglichen Windrichtung. Dieser
Vertikalläufer
erzeugt seine Leistung, indem der Rotor von seinem Stator umgeben
ist, der eine Vielzahl von gleich beabstandeten Statorblättern aufweist.
Diese Statorblätter
bilden zum Rotor hin sich verjüngende
Kanäle, die
schräg
zum Rotor angeordnet sind. Diese Anlage weist den Nachteil auf,
dass sie mit der konstruktiven Anordnung der Einleitflächen einen
zu geringen Teil der Frontalanströmfläche zur Energieumsetzung nutzt.
Die Ursache für
diesen Nachteil liegt in den zu flach anliegenden Einleitflächen, wodurch
nur höchstens
75% der Frontalanströmfläche genutzt
werden kann. Die verbleibenden 25% werden einfach um die Anlage
herum nach außen
abgeleitet. Die dringend nötige
Durchströmung
von mindestens 15% wird auf jeden Fall unterschritten, da dieser
Rotor keine Durchströmmöglichkeit
besitzt. Es kann sogar der Fall eintreten, dass die Strömung zusammen
bricht, oder die Anlage nur bei besonders hohen Strömungsgeschwindigkeiten
ab etwa 30 m/s arbeitet. Selbst bei so hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist eine
derartige Anlage nur in der Lage, höchstens 15% der auftreffenden
Arbeitsströmung
in Energie umzusetzen. Rotor und Einleitflächen praktizieren in der aufgeführten Anordnung
und in der Energieumsetzung kein effektives Zusammenwirken.
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Mit
der Schrift WO 9111/19093 ist eine weitere Windkraftanlage bekannt.
Sie arbeitet nach dem Prinzip der Durchströmung. Diese Anlage setzt den Winddruck
und einen Teil der Aerodynamik um. Der achtflüglige Rotor ist auf die 16
Einleitelemente abgestimmt. Das offen gelegte Einleitflächenprinzip
erbringt nur eine etwa 85%ige Frontflächennutzung, ohne dem Idealzustand
nahe zu kommen. Der Kapazitätsverlust
liegt an der Abfälschung
der Strömung. Trotz
der eingearbeiteten Durchströmfähigkeit
bilden die acht Rotorflügel
einen zu extremen Trichter. Die Folge ist eine Behinderung der Durchströmung. Die Rotorflügel sind
zu kurz und bieten der Windströmung
einen zu kurzen Arbeitsweg. Bei diesere Bauart ist es auch nicht
möglich,
eine voll arbeitsfähige Aerodynamik
unterzubringen. Es arbeitet die Durchströmung auch nicht von innen nach
außen.
Aufgrund des Trichterverhaltens kann die Strömung nicht aktiv werden. Der
Abstand des Gehäuses
zum Rotor ist zu groß,
weil der Druck unkompliziert entweichen kann.
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Die
Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine windrichtungsunabhängige Windkraftanlage
mit Vertikalrotor zu schaffen, mit dem Ziel, die gesamte kinetische
Energie an der Arbeitsfront umzusetzen. Dabei soll in erster Linie
eine strömungsideale
Aufnahme stattfinden und genau auf der richtigen Seite die Strömung komprimiert
werden. Durch ein gutes Zusammenwirken von Strömungsdruck und Aerodynamik
mit den Leitflächen
soll eine ideale Umsetzung der Strömungsenergie erfolgen. Die
Anlagenstatik wird dadurch geschont, dass durch die erreichte gute Frequenzkonstanz
eine ideale Gewichts- und Massenausgewogenheit stattfindet.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht ferner darin, dass die Aerodynamik
an den Rotorflügeln
so früh
als möglich
zu arbeiten beginnt. Weiterhin soll die Anlage ohne Schaden zu nehmen
bis zur Orkanstärke
laufen, ohne dass diese abgeschaltet werden muss. Die Aufgabe der
Erfindung soll auch darin bestehen, dass die Anlage sich von den
Dimensionen her (vor allem von der Höhe her) harmonischer in das Landschaftsbild
integriert und sich nicht so aufdringlich darstellt, wie es bei
den Anlagen mit Horizontalachse der Fall ist.
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Es
sollen kostengünstige
Materialien zum Bau der Anlage verwendet werden, um einen positiven
Kosten-/Nutzeneffekt zu erzielen. Die Aufgabe der Erfindung wird
gelöst,
durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgezeigten technischen
Merkmale.
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Die
Lösung
der Erfindung besteht in einem Fundament, einem Maschinenraum, einem
Maschinenaufbau und einem Dach. Der Maschinenaufbau besteht als
Korpus aus zwei oder mehreren Grundböden, zwischen welchen sich
die Einleitkonstruktionen befinden. Die Etagen werden durch die
Grundböden
gebildet, wobei sich zwischen zwei Grundböden immer eine Etage befindet.
Zwei Etagen haben somit drei Grundböden. Die maximale Höhe der Anlage wird
durch die zugelassene Statikberechnung bestimmt, sowie die Möglichkeiten
des Anlagendurchmessers und die möglichen Rotorachslängen. Aus Statikgründen sind
die Leitflächen
in den einzelnen Etagen direkt übereinander
angeordnet. Die Strömung
in der Anlage wird in Richtung der Rotoren verdichtet, so dass die
Strömungsgeschwindigkeit
erhöht
wird. Die Leitflächen
sitzen so in der Anlage, damit der zurücklaufende Flügel von
der Frontanströmung
freigestellt wird. Der Rotor besitzt drei Flügel, die nach dem Durchströmungsprinzip
arbeiten.
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Der
Maschinenraum hat die Grundfläche
einer Bernardschen Zelle und stellt eine konisch nach oben laufende
Bienenwabenform dar. Der Vorteil liegt darin, dass der Wind durch
diese Schräge
besser in die Anlage geleitet wird. Die Anordnung der Einleitflächen ist
so gestaltet, dass die Strömung
immer auf die rechte Seite des Rotors strömt. An jeder Ecke des sechseckigen
Korpusses zeigen die großen
Einleitflächen
in Richtung Rotorachse und sind am Ende nach rechts in Drehrichtung
des Rotors gebogen. Maßgeblich
genau dazwischen sitzen die 6 kleinen Einleitflächen, die zur nachfolgenden
Korpuskante in paralleler Richtung stehen. Diese entsprechen einem
Drittel der großen
Leitflächen
in ihrer Aufladung.
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Das
Dach muss in der Mitte eine Erhebung aufweisen und somit vorstehen,
damit die ganze Anlage abgedeckt wird. Die Flügel des Rotors bestehen im
Innenteil aus einem geraden Stück
und im vorderen Teil bestehen sie aus einer Rundung. Das gerade Stück hat die
Länge von
einem Sechstel des Rotordurchmessers und die Rundung ist genau die
Krümmung
von einem Achtel des Rotorkreises. An der Vorderkante ist noch eine
Abschrägung
angebracht. Die großen
Leitflächen
haben durch die sechseckige Ausführung
des Korpusses noch einen Abstand zum Rotor. Dieser Platz wird genutzt,
um die Krümmungen
nach rechts einzufügen.
Es lohnt sich auch als Variante eine Druckseitentangente einzuziehen,
damit der Unterdruck und der Überdruck
besser hervor tritt.
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Anstelle
der Abschrägung
an der Vorderkante der Flügel
wäre ein
Rundstab, der mit der Flügelform
eingearbeitet ist, von Vorteil. Die Rotoretagenböden und die Etagenböden sitzen
auf gleicher Höhe.
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Die
Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In den dazugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1:
Vertikalschnitt der Windkraftanlage als Großanlage
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2:
Vertikalschnitt der Windkraftanlage, kleine Ausführung
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3:
Horizontalschnitt der Windkraftanlage
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4:
Horizontalschnitt eines Rotors mit drei Flügeln
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5:
Große
Einleitfläche
mit Rechtskrümmung
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6:
Horizontalschnitt eines Flügels,
Variante I
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7:
Horizontalschnitt eines Flügels,
Variante II
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8:
Maschinenraumkorpus in Form eines sechseckigen Körpers
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Auf
einem Fundament 1 befindet sich ein Maschinenraum 2,
welcher mit einem Maschinenaufbau 3 verbunden ist. Der
Maschinenaufbau 3 besteht aus 6 Stück großen Einleitflächen 4,
aus 6 Stück
kleinen Einleitflächen 5,
den Etagenböden 6 und
dem Rotor 7. Der Maschinenaufbau 3 kann aus einer
unterschiedlichen Anzahl von Etagen 12 bestehen. Jede Etage
besteht aus einem Etagenboden 6 oben und einem Etagenboden 6 unten,
sowie aus großen Einleitflächen 4 und
kurzen Einleitflächen 5.
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Die
großen
Einleitflächen 4 und
die kurzen Einleitflächen 5 sind
die Statikteile mit den Etagenböden 6 in
der Etage 12. Die Verbindung dieser Bauelemente erfolgt
durch Verschweißung.
Die oberste Etage 12 erhält ein Dach 13. Im
sechseckigen Schacht 14 ist die vertikale Rotoranlage angeordnet, bestehend
aus dem Rotor 7 und der Rotorachse 8, welche gleichzeitig
den Generator 15 aufnimmt und die Rotoretagenböden 16.
Auf den Rotoretagenböden 16 sind
die Rotorflügel 9, 10 und 11 je
Etage 12 angeordnet. Die Drehrichtung des Rotors R ist
gegen den Uhrzeigersinn gerichtet. Die Rotorflügel 9, 10 und 11 haben
in ihrer Ausführung
im Innenbereich eine gerade Ausführung 17 mit
einer Länge
von einem Sechstel des Rotordurchmessers 29. Und die Krümmung 18 ist
genau die Krümmung
von einem Achtel des Rotoraußenkreises 19.
Die Vorderkanten der Rotorflügel 9, 10 und 11 liegen
zur Rotorachse 8 genau 120° auseinander. Das innere Ende
der Flügel 20 beträgt ein Viertel
des Rotorradiusses 28 zum Mittelpunkt der Rotorachse 8.
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Die
Rotorflügel 9, 10 und 11 besitzen
in Variante I an ihrer Frontseite einen Flacheisenansatz 21. Die
großen
Einleitflächen 4 und
die kurzen Einleitflächen 5 haben
die besondere Aufgabe die zurücklaufenden
Rotorflügel 9, 10 und 11 abzudecken
und die Strömung
insgesamt auf die rechte Seite zu leiten. Die großen Einleitflächen 4 sind
kurz vor dem Rotor 7 in Drehrichtung des Rotors R mit einer
Rechtskrümmung 22 versehen.
Die Ausladung 23 der großen Einleitflächen 4 entspricht
mindestens dem Rotorradius 30 des Rotors 7 und
sind genau auf die Mitte der Rotorachse 8 ausgerichtet.
Die kurzen Einleitflächen 5 sind
genau in der Mitte zwischen den großen Einleitflächen 4 angeordnet.
Diese kurzen Einleitflächen 5 haben
nur ein Drittel der Ausladung 23 der großen Einleitflächen 4 und
sind immer so ausgerichtet, dass sie in die gleiche Richtung zeigen,
wie die auf rechts folgende Sechskantlinie 24. In der Strömungsrichtung
S wird die Anlage so umströmt,
dass auf der rechten wind abgewandten Seite der Magnuseffekt mitarbeitet
und ein weiteres Fach 25 bedient. Die Statik wird bei Orkanstärken nur
mit dem Flettner-Effekt belastet, was nicht bedrohlich wird. Die
2. Variante der Flügel 9, 10 und 11 hat
anstelle des Flacheisenansatzes 21 einen Rundstab aus Eisen 26 und eine
untergebaute Druckseitentangente 27.
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Beim
Austreten der Strömung
S aus dem Rotor drückt
der Flacheisenansatz 21 und der Rundstab aus Eisen 26 an
der Strömung
S und drückt
an Rotorflügel 9, 10 und 11 noch
ein letztes Mal. Durch die eingesetzte Druckseitentangente 27 vergrößert sich der
Umströmungsunterschied
und es kommt zu einem höheren
aerodynamischen Auftrieb und zu einer besseren Kraftübertragung.
Die Oberfläche
der Rotorflügel 9, 10 und 11 sowie
die großen
Einleitflächen 4 und
die kurzen Einleitflächen 5 müssen eine
glatte Oberfläche
besitzen. Die Rotoretagenböden 16 und die
Etagenböden 6 sitzen
auf gleicher Höhe.
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- 1
- Fundament
- 2
- Maschinenraum
- 3
- Maschinenaufbau
- 4
- große Einleitfläche
- 5
- kurze
Einleitfläche
- 6
- Etagenboden
- 7
- Rotor
- 8
- Rotorachse
- 9
- Rotorflügel 1
- 10
- Rotorflügel 2
- 11
- Rotorflügel 3
- 12
- Etage
- 13
- Dach
- 14
- sechseckiger
Schacht
- 15
- Generator
- 16
- Rotoretagenboden
- 17
- gerade
Ausführung
- 18
- Krümmung
- 19
- Rotoraußenkreis
- 20
- inneres
Ende der Flügel
- 21
- Flacheisenansatz
- 22
- Rechtskrümmung
- 23
- Ausladung
- 24
- Sechskantlinie
- 25
- Fach
- 26
- Rundstab
aus Eisen
- 27
- Druckseitentangente
- 28
- Rotorradius
- R
- Drehrichtung
des Rotors
- S
- Strömung