DE202007006116U1

DE202007006116U1 - Windkraftanlage

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Publication number: DE202007006116U1
Application number: DE202007006116U
Authority: DE
Original assignee: Individual
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Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2017-04-27

Abstract

Windkraftanlage (1) mit zumindest einem Rotor (2, 3), welcher mit wenigstens einem Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie wirkverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Rotor (2, 3) durch einen „Widerstandsläufer" mit zwei oder mehr Rotorblättern (5) gebildet ist, welcher derart innerhalb eines Gehäuses (6) angeordnet ist, dass in Windrichtung sich bewegende Rotorblätter (5) desselben aus der Außenkontur des Gehäuses (6) herausragen, wobei besagtes Gehäuse (6) ein strömungsgünstiges Profil aufweist, welches unter weitestgehender Vermeidung von Turbulenzen überwiegend laminare Strömungen an der von der Luftströmung überstrichenen Oberfläche desselben erlaubt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit zumindest einem Rotor, welcher mit wenigstens einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie wirkverbunden ist.
Windkraftanlagen sind seit langem in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Derzeit finden in der Praxis vornehmlich Rotoren in Form sogenannter „Auftriebsläufer" bei der Nutzung von Windenergie und Umwandlung derselben in elektrische Energie Anwendung. Die Rotoren besagter „Auftriebsläufer" bestreichen bis zu 400 m² Fläche und ernten dabei lediglich einen Prozentsatz von weniger als 10% des dieselbe überstreichenden Windes. Daraus resultieren erhebliche konstruktive und technologische Aufwendungen zur Realisierung derselben, um überhaupt noch einen gewissen ökonomisch vorteilhaften Effekt mit solchen Anlagen erzielen zu können. Dieser Umstand erklärt auch den bekanntermaßen großen erforderlichen Zeitraum für deren Armortisation, ggf. unterstützt durch diverse Subventionsmaßnahmen. Bei vorhandenen Windkraftanlagen der vorgenannten Art sind Nutzungsdauer und Armortisationszeitraum überwiegend nahezu deckungsgleich, mit dem Restrisiko, dass dieser unter Umständen auch größer als die Nutzungsdauer wird, beispielsweise infolge geringer anfallenden Windes als ursprünglich prognostiziert.
Demgegenüber sind auch Rotore in Form sogenannter „Widerstandsläufer" mit vertikal ausgerichteter Drehachse sowie mit zwei oder mehr Rotorblättern bekannt, die ihrerseits auch als „Savonius"-Rotore bezeichnet werden. Zwar sind diese Rotore sehr robust aufgebaut, werden jedoch aufgrund ihrer geringen Schnelllaufdrehzahl nur in geringem Umfang zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet, da ihnen ungenügende Wirkungsgrade infolge geringen Leistungsbeiwertes zugeschrieben werden. Herrkömmlich kann nach dem Stand der Technik lediglich der Anteil der Windenergie geerntet werden, der sich aus der Differenz der Widerstandsbeiwerte von Vorder- und Rückseite der Rotorblätter ergibt.
Um diesem Problem zu begegnen, werden eine Vielzahl von Maßnahmen vorgeschlagen, die insbesondere eine veränderte Anzahl von Rotorblättern respektive Flügel, eine besondere Anordnung und Ausbildung derselben oder den Wind konzentrierende Leitbleche und Gehäuse, die ihrerseits eine Zwangsströmung durch den Rotor bewirken, betreffen.
So ist aus der DE 101 05 424 A1 eine Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie mit zwei frontal angeströmten Vertikalrotoren bekannt, die ihrerseits, zwischen sich einen Spalt ausbildend, zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei ein dritter Vertikalrotor vorgesehen ist, welcher von dem durch den Spalt eindringenden Luftstrom und teilweise der Abluft eines frontal angeordneten Vertikalrotors angetrieben wird. Dieser dritte Vertikalrotor ist exzentrisch zur Symmetrieachse der frontal angeordneten Vertikalrotoren angeordnet.
Aus der DE 10 2004 060 230 A1 ist des Weiteren eine Windkraftanlage mit zwei in der Horizontalebene miteinander gekoppelten in Gegenrichtung drehenden Rotoren mit vertikaler Drehachse bekannt, wobei beide Rotoren in einem dieselben umschließenden Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse weist zunächst eine Vorderwand auf, welche die Rotorflügel abschirmt, die sich aktuell gegen die Windrichtung bewegen. Fernerhin weist das Gehäuse sowohl vorne als auch hinten Öffnungen auf, die das Hindurchströmen der Luftströmung durch das Gehäuse und die Einwirkung der Luftströmung auf die aktuell sich in derselben befindlichen Rotorflügel gestatten. Weiter wird vorgeschlagen, dass die Querschnittsfläche der hinteren Öffnungen kleiner der Querschnittsfläche der vorderen Öffnungen des Gehäuses ist.
Schließlich ist aus der DE 20 2005 013 658 U1 eine Windkraftanlage mit einem Windrotor in Form eines „Savonius"-Rotors mit drei oder mehr nach Art von Luftschaufeln ausgebildeten und symmetrisch angeordneten Rotorblättern bekannt, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass bei einer Beaufschlagung mit einer Luftströmung wenigstens ein Teil dieser Luftströmung auf ein zu dem ersten Rotorblatt in Drehrichtung des Windrotors benachbartes zweites Rotorblatt umgelenkt wird.
All den vorstehenden Windkraftanlagen mit „Widerstandsläufern" ist jedoch gemein, dass ein überzeugender Durchbruch derselben zur Energieerzeugung bis dato in der Fachwelt noch nicht zu verzeichnen ist. Im Wesentlichen ist diese Einschätzung noch einem zu geringen Wirkungsgrad bzw. einem zu hohen Aufwand zur Herstellung einer technisch ansprechenden Windkraftanlage geschuldet.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstig zu bewerkstelligende Windkraftanlage mit zumindest einem Rotor zu schaffen, welche im Hinblick auf den zu erzielenden Wirkungsgrad weiter verbessert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Ausgehend von eine Windkraftanlage mit zumindest einem Rotor, welcher mit wenigstens einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie wirkverbunden ist, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der zumindest eine Rotor durch einen „Widerstandsläufer" mit zwei oder mehr Rotorblättern gebildet ist, welcher derart innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, dass in Windrichtung sich bewegende Rotorblätter desselben aus der Außenkontur des Gehäuses herausragen, wobei besagtes Gehäuse ein strömungsgünstiges Profil aufweist, welches unter weitestgehender Vermeidung von Turbulenzen überwiegend laminare Strömungen an der von der Luftströmung überstrichenen Oberfläche desselben erlaubt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der besagte „Widerstandsläufer" als an sich bekannter „Savonius"-Rotor mit vertikal angeordneter Drehachse ausgebildet.
Was das strömungsgünstige Profil des Gehäuses anbelangt, kann dieses zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der über die Oberfläche des Profils des Gehäuses streichenden Luftströmung durch ein an ein Fischprofil angelehntes Profil gebildet sein.
Vorteilhaft ist das Fischprofil möglichst „fett" ausgebildet, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der dasselbe umströmenden Luftströmungen maximierbar ist.
Vorzugsweise ist hierbei für das Gehäuse mit Fischprofil eine Länge „L" gewählt, die in Abhängigkeit von den Abmaßen des zumindest einen Rotors etwa dem 2,0-fachen bis etwa dem 3,5-fachen, vorzugsweise etwa dem 2,8-fachen der Breite „B" des Fischprofils im Anordnungsbereich des zumindest einen Rotors entspricht.
So ist der zumindest eine Rotor vorteilhafterweise im oder unmittelbar vor und/oder hinter dem Bereich des größten Querschnitts des Profils des Gehäuses angeordnet, wodurch die erzeugten hohen Strömungsgeschwindigkeiten besonders wirkungsvoll auf den Rotor einwirken können.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind innerhalb des Gehäuses quer zur Längsachse desselben zwei zueinander beabstandete und achsparallel nebeneinander angeordnete sowie gegenläufig rotierende Rotoren vorgesehen, deren in Windrichtung sich bewegende Rotorblätter aus der Außenkontur des Gehäuses herausragen.
Die Beabstandung der Rotoren kann dabei derart gewählt sein, dass die von den Rotorblättern derselben überspannten Rotationsflächen der Rotoren nebeneinander angeordnet sind.
Demgegenüber kann die Beabstandung der Rotoren jedoch auch derart gewählt sein, dass die von den Rotorblättern derselben überspannten Rotationsflächen unter Vermeidung einer Berührung der Rotorblätter der benachbarten Rotoren untereinander ineinandergreifen, wodurch ohne Beeinträchtigung des erzielbaren Wirkungsgrades eine Platzersparnis für die Rotoren innerhalb des Gehäuses zu verzeichnen ist.
Wie die Erfindung weiter vorsieht, können die Windangriffsflächen der Rotorblätter der Rotoren wenigstens bereichsweise durch schwenkbare Lamellenelemente gebildet sein die ihrerseits zum einen zur Verringerung des Strömungswiderstandes während des Durchlaufes des Innenraumes des Gehäuses die Ausbildung fensterartiger Öffnungen in den Rotorblätter und zum anderen während des Durchlaufes des Windangriffsbereiches außerhalb des Gehäuses das Schließen besagter fensterartiger Öffnungen gestatten.
Insoweit können die Lamellenelemente aufgrund der im Betrieb der Rotoren auf die Lamellenelemente wirkenden Kräfte selbsttätig öffnend und schließend ausgebildet sein.
Wie die Erfindung noch vorsieht, können die Oberflächen der Rotorblätter der Rotoren und/oder die nach außen weisende Oberfläche des Gehäuses mit Photovoltaik-Elementen zur Wandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bestückt sein, wodurch die Energieerzeugungsbilanz der in Rede stehenden Windkraftanlage noch weiter verbessert werden kann.
Als Generator hat sich insbesondere ein permanentmagneterregter Synchrongenerator, vorzugsweise ein Axialfeld-Synchrongenerator bewährt.
Das Verfahren zur Verwendung der vorstehenden Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, dass eine oder mehrere derselben zur Erzeugung und Direkteinspeisung elektrischer Energie in vorhandene elektrische Netze oder als Insellösung für Einzelabnehmer von elektrischer Energie verwendet werden.
Insbesondere können eine oder mehrere Windkraftanlagen der beschriebenen Art zur Versorgung von Wasserentsalzungsanlagen, Klimaanlagen, Anlagen zur Gewinnung und Speicherung von Wasserstoff und/oder anderen Verbrauchern mit elektrischer Energie verwendet werden.
Die vorgeschlagene Windkraftanlage der gattungsgemäßen Art hat im Hinblick auf herkömmliche mehrere Vorteile. So wird in der Abkehr von technisch Üblichem und entgegen der vorherrschend negativen Auffassung der Fachwelt zu „Widerstandsläufern" als Antrieb von elektrische Energie erzeugenden Maschinen an denselben festgehalten und eine Windkraftanlage geschaffen, die äußerst robust und somit störungsunanfällig ist. Des Weiteren ist infolge optimierter Luftströmung durch Zwangsführung derselben und demgemäß der erzielbaren hohen Strömungsgeschwindigkeiten der die Gehäuseoberfläche überstreichenden Luftströmungen ein erhöhter Wirkungsgrad zu verzeichnen, da die kinetische Energie bekanntermaßen eine Funktion der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ist. Eine Energieernte von 60% der verfügbaren Energie ist realisierbar. Überdies ist eine einfache und kostengünstige Bauweise des Gehäuses zu verzeichnen. Durch eine vorteilhafte Kombination des besonders ausgebildeten Gehäuses mit besonders ausgebildeten Rotoren, besonders ausgebildeten Generatoren und weiteren elektrische Energie erzeugenden Maßnahmen, vorliegend Photovoltaik-Elementen, ist die Energieerzeugungsbilanz der in Rede stehenden Windkraftanlage im Vergleich mit herkömmlichen besonders vorteilhaft erhöht, welche sich dann insbesondere für Insellösungen in wirtschaftlich bzw. energetisch unerschlossenen oder nicht ausreichend erschlossenen Gebieten, d. h., in Gebieten bzw. Ländern mit fehlender Infrastruktur für einen Energietransport, eignet. Eine modulare Ausbildung der Windkraftanlage bietet sich an, so dass dieselbe von einer Grundstruktur ausgehend dem Bedarf entsprechend ausgestattet werden kann.
Die Vorteile der Erfindung lassen sich zusammenfassend wie folgt darstellen:

– simultane Nutzung von Wind- und Solarenergie in einer kompakten Anlage möglich;
– geringe Herstellungskosten;
– einfache und zeitlich kurze Montage der Anlage ohne besonderen Gründungsaufwand bzw. Demontage gestattet;
– modularer Aufbau der Windkraftanlage;
– Nutzung eines effizienten neuen Generatortyps, vorzugsweise anlagenintegriert;
– geringe Anforderungen an den Standort und an die Bedingungen desselben, da die Anlage im Verhältnis kompakt und leicht ausgebildet ist sowie auch geringe Windgeschwindigkeiten vorteilhaft nutzbar machen kann;
– Offshoreanlagen im Megawattbereich mit ggf. einfachem Standortwechsel realisierbar zur beispielsweise Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser;
– maximale Wind- und Photovoltaikflächen auf kleinstem Raum gestattet;
– es sind geringe Störungsanfälligkeit und Wartungskosten sowie geringste Umweltbelastungen zu verzeichnen;
– kontinuierliche Energieproduktion möglich;
– autarke Energie- und Wärmeproduktion schon im Einfamilienhausbereich rentabel;
– Versorgung von Gebieten ohne Infrastruktur sowie von Katastrophengebieten mit elektrischer Energie.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 die Windkraftanlage in einer perspektivischen Ansicht gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung,
2 die Windkraftanlage nach 1 in einem oben geöffneten, jedoch mittels eines Deckelelementes verschließbaren Zustand,
3 die Windkraftanlage nach 1 und 2 in einem Horizontalschnitt,
4 ein Rotor der Windkraftanlage in einer perspektivischen Ansicht von oben gesehen,
5 die Darstellung des Rotors nach 4 in einem Horizontalschnitt,
6 eine zweite vorteilhafte Ausgestaltung der Windkraftanlage,
7 eine dritte vorteilhafte Ausgestaltung der Windkraftanlage.
Danach zeigen die 1 bis 3 äußerst schematisch eine Windkraftanlage 1 zur Erzeugung elektrischer Energie mit zumindest einem Rotor 2, 3, vorzugsweise zwei Rotoren 2, 3, welche ihrerseits mit zumindest einem Generator 4 wirkverbunden sind.
Der zumindest eine, respektive die vorliegend zwei Rotoren 2, 3 sind jeweils durch einen an sich bekannten sogenannten „Widerstandsläufer" mit vertikal angeordneter Drehachse sowie zwei oder mehr schaufelförmigen Rotorblättern 5 gebildet, welcher in der Fachwelt auch als „Savonius"-Rotor bezeichnet wird.
Um den Wirkungsgrad herkömmlicher „Widerstandsläufer", vorliegend „Savonius"-Rotoren, maßgeblich zu erhöhen, sind dieselben nunmehr derart innerhalb eines Gehäuses 6 angeordnet, dass in Windrichtung 7 sich bewegende Rotorblätter 5 der Rotoren 2, 3 durch Öffnungen 8 in der Gehäusewandung hindurch aus der Außenkontur des Gehäuses 6 herausragen, wobei das Gehäuse 6 ein strömungsgünstiges Profil aufweist, welches unter weitestgehender Vermeidung von Turbulenzen überwiegend laminare Strömungen an der von der Luftströmung überstrichenen Oberfläche desselben erlaubt.
Demnach sind die beiden Rotoren 2, 3 somit quer zur Längsachse 9 des Gehäuses 6 und zueinander beabstandet sowie achsparallel nebeneinander angeordnet und rotieren demgemäß gegenläufig.
Wie die 1 bis 3 weiter zeigen, sind die Rotoren 2, 3 über ein Zahnradgetriebe 10 mit dem vorliegend innerhalb des Gehäuses 6 der Windkraftanlage 1 im Frontbereich desselben angeordneten Generator 4 wirkverbunden.
Insoweit weisen die Rotoren 2, 3 zumindest ein Stirnrad 11 auf, welches über ein am Gehäuse 6 abgestützes Ritzel 12 mit einem Stirnrad 13 des Generators 4 im Zahneingriff steht.
Vorliegend weisen die Rotoren 2, 3 stirnseitig sowohl ein oberes als auch ein unteres Stirnrad 11 auf, welche über je ein Ritzes 12 mit einem oberen bzw. unteren Stirnrad 13 des Generators 4 wirkverbunden sind, wodurch eine erhöhte Steifigkeit des Zahnradgetriebes 10 und demgemäß eine verbesserte Kraftübertragung gewährleistet sind.
Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf vorstehende Ausführungsform, sondern umfasst jedwede Getriebeanordnung zur Kraftübertragung von den Rotoren 2, 3 auf den zumindest einen Generator 4.
So kann es beispielsweise angezeigt sein, statt eines Zahnradgetriebes 10, einen an sich bekannten Riemen-, Ketten- oder auch Reibradtrieb in Anwendung zu bringen (nicht näher dargestellt).
Ferner ist die Erfindung nicht auf einen einzigen Generator 4 beschränkt, sondern kann auch zwei oder mehrere Generatoren 4 umfassen, wobei der oder die Generatoren 4 sowohl im Gehäuse 6 als auch außerhalb desselben angeordnet sein können.
Im Rahmen umfangreicher Versuche wurde gefunden, dass Generatoren 4 in Form von permanenterregten Synchrongeneratoren, vorzugsweise Axialfeld-Synchrongeneratoren, die ihrerseits durch die Fachwelt auch als „Spark^®-Generatoren" bezeichnet werden, besonders effektiv arbeiten, da diese hinsichtlich Leistung und Anlaufmoment hervorragende Eigenschaften besitzen.
Derartige Generatoren 4 sind u.a. durch folgende Vorteile gekennzeichnet:

– verlustfreie Erregung durch Hochenergie-Permanentmagnete (NdFeB),
– nutenfreie Ausbildung und demgemäß Vermeidung von Rastmomenten sowie Minderung der Geräuschbelastung,
– niedriges Anlaufmoment,
– geringe Ankerrückwirkung,
– hohe Überlastbarkeit,
– Nutzung auch von geringen Windgeschwindigkeiten gestattet einhergehend mit einem hohem Wirkungsgrad,
– integrierbar in die Rotorwelle.

Im Rahmen besagter umfangreicher Versuche hat sich als strömungsgünstiges Profil für besagtes Gehäuse 6 ein Profil bewährt, welches an ein Fischprofil mit einem im Querschnitt weitestgehend gerundeten stumpfen Kopfbereich, der seinerseits in einen gestreckten und sich verengenden Schwanzbereich ausläuft, angelehnt ist.
Dieses Profil sollte möglichst „fett" ausgebildet sein, um größtmögliche Strömungsgeschwindigkeiten der über die Oberfläche desselben streichenden Luftströmungen zu erzielen. Die Erhöhung der Geschwindigkeit des anströmenden Windes 7 erlaubt eine überproportional erhöhte Ernte an elektrischer Energie. Die Ernte hängt bekanntermaßen in der dritten Potenz von dieser Geschwindigkeit ab, so dass bei einer Verdoppelung der Geschwindigkeit eine achtfach höhere Energiemenge geerntet werden kann als herkömmlich.
Für den Fachmann sicherlich leicht nachvollziehbar, sind die Rotoren 2, 3 somit vorzugsweise im oder unmittelbar vor und/oder hinter dem Bereich des größten Querschnitts des Profils des Gehäuses 6 angeordnet.
Unter einem „fetten" Fischprofil für das Gehäuse 6 wird insbesondere ein Fischprofil verstanden, dessen Länge „L" in Abhängigkeit von den aktuellen Abmaßen des zumindest einen bzw. der beiden Rotoren 2, 3 etwa dem 2,0-fachen bis etwa dem 3,5-fachen, vorzugsweise etwa dem 2,8-fachen der Breite „B" des Fischprofils im Anordnungsbereich des zumindest einen, vorliegend der beiden Rotore 2, 3 entspricht.
Wie insbesondere der 3 sehr gut zu entnehmen ist, ist die Beabstandung der Rotoren 2, 3 quer zur Längsachse 9 des Gehäuses 6 derart gewählt, dass die von den Rotorblättern 5 der Rotoren 2, 3 überspannten Rotationsflächen nebeneinander angeordnet sind.
Es kann auch angezeigt sein und ist demgemäß durch die Erfindung miterfasst, die Beabstandung zwischen den Rotoren 2, 3 derart zu wählen, dass die von den Rotorblättern 5 derselben überspannten Rotationsflächen unter Vermeidung einer Berührung der Rotorblätter 5 der benachbarten Rotoren 2, 3 untereinander sozusagen ineinandergreifen, wodurch ohne Beeinträchtigung des erzielbaren Wirkungsgrades eine Platzersparnis für die Rotoren 2, 3 innerhalb des Gehäuses 6 zu verzeichnen ist (nicht näher dargestellt).
4 zeigt einen weiterentwickelten Rotor 2, 3 in einer perspektivischen Einzeldarstellung.
Dieser Rotor 2, 3 unterscheidet sich zu den in den 1 bis 3 dargestellten Rotoren 2, 3 im Wesentlichen dadurch, dass die Windangriffsflächen 14 der Rotorblätter 5 desselben wenigstens bereichsweise durch um eine Vertikalachse schwenkbare Lamellen- bzw. Klappenelemente 15 gebildet sind, um den Widerstand der Rotorblätter 5 in der Phase des Gegenlaufes zu minimieren.
Die Funktionsweise derartiger Lamellenelemente 15 ist sehr gut aus 5 ersichtlich. Der Rotor 2, 3 dreht vorliegend entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Lamellenelemente 15 gestatten nunmehr in vorteilhafter Weise eine Verringerung des Strömungswiderstandes während des Durchlaufes der Rotorblätter 5 durch den Innenraum des Gehäuses 6, indem zu diesem Zeitpunkt „t₁" fensterartige Öffnungen 16 in den betreffenden Rotorblättern 5 ausgebildet bzw. freigegeben werden. Erreichen im Anschluss daran, d. h., zu einem Zeitpunkt „t₂" die Rotorblätter 5 wieder den Windangriffsbereich außerhalb des Gehäuses 6, werden die fensterartigen Öffnungen 16 verschlossen bzw. verschleißen sich.
Im Wesentlichen erfolgt das Öffnen und Schließen der fensterartigen Öffnungen 16 in den Rotorblättern 5 durch die auf die Lamellenelemente 15 einwirkenden Luftströmungen.
Sicherlich ist auch eine mechanische oder elektromechanische Zwangsführung der Lamellenelemente 15 in Abhängigkeit von der aktuellen Stellung des jeweiligen Rotorblattes 5 im rotierenden System denkbar, erfordert jedoch erhöhten mechanischen und/oder elektrischen Aufwand (nicht näher gezeigt).
Die Widerstandsbeiwerte von herkömmlichen „Savonius"-Rotoren liegen bei ca. 2,3 in Strömungsrichtung und 1,2 gegen die Strömungsrichtung. Die Lamellenelemente 15 erlauben dagegen eine Minderung des Widerstandsbeiwertes gegen die Strömungsrichtung auf ca. 0,5. Die geerntete Energiemenge kann damit zusätzlich um 60% gesteigert werden.
Um die Energieerzeugungsbilanz der erfindungsgemäß ausgebildeten Windkraftanlage 1 noch weiter zu verbessern, sind die Oberflächen der Rotorblätter 5, respektive der Lamellenelemente 15 derselben, und/oder die nach außen weisende Oberfläche des Gehäuses 6 mit nicht näher dargestellten, jedoch an sich bekannten Photovoltaik-Elementen zur Wandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bestückt.
Durch diese Maßnahme ist eine Hybridanlage geschaffen, die besonders einfach und kostengünstig Wind- und Solaraufnahmeflächen vorteilhaft kombiniert.
Gerade in Landstrichen mit hohen bis sehr hohen Durchschnittstemperaturen, wie sie insbesondere in Afrika, Asien, Australien und Südamerika zu verzeichnen sind, bietet es sich an, lediglich die Rotorblätter 5 mit Photovoltaik-Elementen zu bestücken, da dieselben neuerdings auch bei diffuser Licheinstrahlung einen sehr hohen bzw. sogar besseren Wirkungsgrad als bei direkter Lichteinstrahlung erreichen und die höchste Stromausbeute bei einer Betriebstemperatur von etwa 25°C generieren.
Die Anordnung auf den Rotorblättern 5 und demgemäß die durch die Drehbewegung derselben erzeugte Luftkühlung gewährleisten die optimale Betriebstemperatur besagter Photovoltaik-Elemente.
Das Ausführungsbeispiel nach 6 unterscheiden sich zu dem vorbeschriebenen im Wesentlichen dadurch, dass das Gehäuse 6 von einem separaten Ständerelement 17 getragen wird, in welchem beispielsweise auch der oder die Generatoren 4 angeordnet sein können.
Das Ausführungsbeispiel nach 7 zeigt fernerhin ein Gehäuse 6 mit einer noch weiter optimierten Außenkontur, indem u. a. die Rotoren 2, 3 in ihrem oberen Bereich von einer strömungsgünstigen Haube 18 abgedeckt wurden.
Was die Gehäuse 6 an sich anbelangt, können dieselben aus den verschiedensten Materialien und nach den verschiedensten Herstellungsverfahren gefertigt sein.
Aufgrund ihres relativ geringen Gewichtes und der einfachen Verarbeitbarkeit bieten sich insbesondere Kunststoffe und Verbundwerkstoffe an, mit denen die gewünschten anspruchsvollen Konturen einfach und kostengünstig darstellbar sind. Sicherlich sind jedoch auch Stahl- und Leichtmetallbleche denkbar.
So ist das Gehäuse 6 nach den 1, 2 und 6 im Wesentlichen durch einen schalen- bzw. topfförmigen unteren Gehäusegrundkörper 6a gebildet, der seinerseits, nachdem sämtliche Aggregate in demselben installiert wurden, von einem Deckelelement 6b nach oben hin verschließbar ist.
Das Gehäuse 6 nach 7 zeichnet sich dagegen dadurch aus, dass dasselbe in einer vertikalen Längsebene 19 geteilt ausgeführt ist und demgemäß aus zwei Schalenelementen 6' und 6'' besteht, die seitlich gegeneinander gesetzt werden, nachdem sämtliche Aggregate auf einem nicht näher gezeigten Rahmen- bzwe. Grundelement installiert wurden.
Sicherlich ist auch eine Kombination vorstehender Gehäusevarianten denkbar und somit durch die Erfindung ebenfalls mit umfasst.
Vorstehende Ausführungsbeispiele stellen auf eine Windkraftanlage 1 ab, deren Rotoren 2, 3 um eine vertikale Achse drehen. Durch die Erfindung mit erfasst sind selbstverständlich auch Rotoren 2, 3, deren Drehachsen beispielsweise in Anpassung an bestimmte Anbau- oder Einbauvorgaben von der vertikalen abweichen, indem beispielsweise lediglich eine Drehung des Gehäuses 6 bzw. des Profils/Fischprofils um dessen Längsachse 9 zu verzeichnen ist.
Eine oder auch mehrere der erfindungsgemäßen Windkraftanlagen 1 lassen sich vorteilhaft zur Erzeugung und Direkteinspeisung elektrischer Energie in vorhandene Netze oder als Insellösungen für Einzelabnehmer von elektrischer Energie, beispielsweise zur Versorgung von Wasserentsalzungsanlagen, von Klimaanlagen, von Anlagen zur Gewinnung und Speicherung von Wasserstoff und/oder einer Vielzahl anderer Verbraucher verwenden.
Die ökonomischen Vorteile sind signifikant. Mit einer Investition von ca. 8.000,-- EUR kann beispielsweise ein Einfamilienhaus vollständig mit elektrischer Energie einschließlich Heizleistung versorgt werden. Damit wird der Armortisationszeitraum einer solchen Anlage auf maximal 5 Jahre verkürzt.
Eine Anlage mit einer Rotorhöhe von 4 m und Rotordurchmessern von 3 m, gestattet eine Jahresenergieernte in einer Größenordnung von ca. 30.000 KWh. Der investorische Aufwand beträgt hierbei etwa 20.000 EUR. Bei einem angenommenen Preis von 0,20 EUR/KW würde sich die Anlage in ca. 3,4 Jahren amortisiert haben.

1: Windkraftanlage
2: Rotor
3: Rotor
4: Generator
5: Rotorblätter
6: Gehäuse
6a: Gehäusegrundkörper
6b: Deckelelement
6': Schalenelement
6'': Schalenelement
7: Windrichtung/Wind
8: Öffnungen
9: Längsachse (Gehäuse 6)
10: Zahnradgetriebe
11: Stirnrad (Rotoren 2, 3)
12: Ritzel
13: Stirnrad (Generator 4)
14: Windangriffsflächen
15: Lamellenelemente
16: fensterartige Öffnungen
17: Ständerelement
18: Haube
19: vertikale Längsebene

Claims

Windkraftanlage (1) mit zumindest einem Rotor (2, 3), welcher mit wenigstens einem Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie wirkverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Rotor (2, 3) durch einen „Widerstandsläufer" mit zwei oder mehr Rotorblättern (5) gebildet ist, welcher derart innerhalb eines Gehäuses (6) angeordnet ist, dass in Windrichtung sich bewegende Rotorblätter (5) desselben aus der Außenkontur des Gehäuses (6) herausragen, wobei besagtes Gehäuse (6) ein strömungsgünstiges Profil aufweist, welches unter weitestgehender Vermeidung von Turbulenzen überwiegend laminare Strömungen an der von der Luftströmung überstrichenen Oberfläche desselben erlaubt.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Rotor (2, 3) ein „Savonius"-Rotor ist.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das strömungsgünstige Profil des Gehäuses (6) zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der über die Oberfläche des Profils des Gehäuses (6) streichenden Luftströmung durch ein an ein Fischprofil angelehntes Profil gebildet ist.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fischprofil möglichst „fett" ausgebildet ist.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das Gehäuse (6) mit Fischprofil eine Länge „L" gewählt ist, die in Abhängigkeit von den Abmaßen des zumindest einen Rotors (2, 3) etwa dem 2,0-fachen bis etwa dem 3,5-fachen, vorzugsweise etwa dem 2,8-fachen der Breite „B" des Fischprofils im Anordnungsbereich des zumindest einen Rotors (2, 3) entspricht.
Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Rotor (2, 3) im oder unmittelbar vor und/oder hinter dem Bereich des größten Querschnitts des Profils des Gehäuses (6) angeordnet ist.
Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (6) quer zur Längsachse (9) desselben zwei zueinander beabstandete und achsparallel nebeneinander angeordnete sowie gegenläufig rotierende Rotoren (2, 3) vorgesehen sind, deren in Windrichtung sich bewegende Rotorblätter (5) aus der Außenkontur des Gehäuses (6) herausragen.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beabstandung der Rotoren (2, 3) derart gewählt ist, dass die von den Rotorblättern (5) derselben überspannten Rotationsflächen der Rotoren (2, 3) nebeneinander angeordnet sind.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beabstandung der Rotoren (2, 3) derart gewählt ist, dass die von den Rotorblättern (5) derselben überspannten Rotationsflächen unter Vermeidung einer Berührung der Rotorblätter (5) der benachbarten Rotoren (2, 3) untereinander ineinandergreifen.
Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Windangriffsflächen (14) der Rotorblätter (5) der Rotoren (2, 3) wenigstens bereichsweise durch schwenkbare Lamellenelemente (15) gebildet sind, die ihrerseits zum einen zur Verringerung des Strömungswiderstandes während des Durchlaufes des Innenraumes des Gehäuses (6) die Ausbildung fensterartiger Öffnungen (16) in den Rotorblätter (5) und zum anderen während des Durchlaufes des Windangriffsbereiches außerhalb des Gehäuses (6) das Schließen besagter fensterartiger Öffnungen (16) gestatten.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenelemente (15) selbsttätig öffnend und schließend ausgebildet sind.
Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Rotorblätter (5) der Rotoren (2, 3) und/oder die nach außen weisende Oberfläche des Gehäuses (6) mit Photovoltaik-Elementen zur Wandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bestückt sind.
Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Generator (4) durch einen permanentmagneterregten Synchrongenerator, vorzugsweise durch einen Axialfeld-Synchrongenerator gebildet ist.
Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Windkraftanlagen (1) zur Erzeugung und Direkteinspeisung elektrischer Energie in vorhandene elektrische Netze oder als Insellösung für Einzelabnehmer von elektrischer Energie vorgesehen sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Windkraftanlagen (1) zur Versorgung von Wasserentsalzungsanlagen, Klimaanlagen, Anlagen zur Gewinnung und Speicherung von Wasserstoff und/oder anderen Verbrauchern mit elektrischer Energie vorgesehen sind.