DE202007006141U1 - Windturbine mit waagrechtem Rotor und verstellbaren Leitblechen zur Energiegewinnung - Google Patents

Windturbine mit waagrechtem Rotor und verstellbaren Leitblechen zur Energiegewinnung Download PDF

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Abstract

Windturbine mit waagrechtem Rotor und waagrechter Achse zur Erzeugung von Energie dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine mit Leitblechen ausgestattet ist.

Description

  • Die zukünftige Energieversorgung muss hauptsächlich auf regenerativen Energien basieren, wobei im Rahmen des angestrebten Energiemixes der Windkraft eine besondere Bedeutung zuzumessen ist.
  • Die bisherigen am Markt etablierten Windräder sind vorwiegend an exponierten Standorten errichtet und stören das Landschaftsbild. Windräder mit waagrechten Rotoren ohne Leitbleche sind bekannt. Ihr Wirkungsgrad ist jedoch für einen wirtschaftlichen Betrieb relativ gering. Um die niedrige Drehzahl der Rotorachse der Windräder auf die zur Stromerzeugung hohe Drehzahl eines Stromgenerators zu transformieren, sind bisher teure und Kraft raubende Getriebe eingesetzt.
  • Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein in das Landschaftsbild integrierbares Windrad zu schaffen, dessen Wirkungsgrad einen höheren wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht und auch bei einem Wechsel der Hauptwindrichtung um 180° den Einsatz von Leitblechen zur Wirkungsgraderhöhung und Energiegewinnung zulässt.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein waagrecht angebrachter Rotor durch seine relativ niedrige Bauhöhe ins Landschaftsbild integrierbar ist und durch Verwendung von Leitblechen der Wind trichterartig gebündelt (verstärkt) wird und nur auf den in Windrichtung drehenden Teil des Rotors antreibend wirkt. Erst durch den Einsatz von Leitblechen, die den Wind bündeln und gegebenenfalls auch im unteren und oberen Teilbereich den Rotor umschließen, wird ein Windrad zur Windturbine mit dem erhöhten Wirkungsgrad.
  • Eine Wirkungsgraderhöhung als Voraussetzung eines wirtschaftlichen Betriebes wird bei der zugrunde liegenden Erfindung in erster Linie dadurch erzielt, dass durch den Einsatz von nach den Grundsätzen der Aerodynamik geformten und angeordneten Leitblechen die Windgeschwindigkeit so erhöht wird, dass die auf die Rotorblätter wirkenden Strömungen wesentlich erhöht werden.
  • Die neu zu entwickelnde Windturbine ist mit einem waagrechten (liegenden) Rotor ausgestattet und wird vorzugsweise auf bestehenden Gebäuden in Giebellängsrichtung montiert. Rotor und Leitbleche sind in Segmenten hergestellt und dadurch auch in beliebiger Länge montierbar. Bevorzugte Standorte sind Dächer von Industriehallen, landwirtschaftliche und öffentliche Gebäude, die mit ihrer Lage vorzugsweise im rechten Winkel zur jeweiligen Hauptwindrichtung stehen, wodurch ein weiterer Eingriff in das Landschaftsbild (unbebaute Natur) und auch der störende, über weite Kilometer sichtbare Einfluss von Windrädern zur Stromerzeugung bekannter Art vermieden werden. Sie erhöhen diese Gebäude geringfügig und sind somit nur in der unmittelbaren Standortumgebung sichtbar. Durch ihre Farbwahl sind sie den jeweiligen Dach- bzw. Gebäudefarben oder dem Hintergrund anpassbar.
  • Auch eine Installation auf geeigneten Windlagen in der Natur, z.B. Hügeln, Küsten, Böschungskanten oder sonstigen windzugänglichen Flächen, ist möglich.
  • Bei der erfindungsgemäßen Windturbine wird der Luftleiteffekt der Dachfläche einerseits und schwenkbarer Gegenleitbleche andererseits genutzt. Im Zusammenwirken Dach und Leitbleche entsteht ein Trichter, der zur Erhöhung der Luftgeschwindigkeit und damit des Staudruckes führt. Die Trichterbildung und damit der Staudruck kann durch das Anbringen von senkrecht montierten Leitblechen an den jeweiligen Enden der Windturbine erhöht werden. Bildet man zusätzlich die Haube (Dach des Rotors) und/oder das Unterteil im Radius des Rotors so aus, dass in Teilbereichen ein Leitgehäuse wie bei einer Dampfturbine entsteht, wird der Wirkungsgrad nochmals optimiert.
  • Bei einer Aufstellung der Windturbine im freien Gelände kann die fehlende Dachfläche durch eine einer Dachfläche nachempfundenen Leitfläche ersetzt werden.
  • Vorzugsweise ist der Rotor so ausgebildet, dass er in seiner Längsachse eine Schraube bildet, d.h. er ist leicht gedreht bzw. gewunden (Drall) oder in seinen Segmenten (Flügel des Rotors) versetzt. Durch diese Drehung oder Versatz ist der Lauf (Umdrehung des Rotors) kontinuierlich und die Windgeräusche, die hauptsächlich beim Übergang vom beweglichen Rotor zu festen Baukörpern (Leitblechen, Haube und Bodenblech) entstehen, sind gleichmäßiger und dadurch leiser.
  • Die oberen Leitbleche sind vorzugsweise schwenkbar gelagert und regeln über die damit verstellbaren Winkel in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeiten die Lufteinströmmenge. Diese Regelung ist vorzugsweise automatisch gesteuert in Abhängigkeit der Windrichtung und der Windstärke. Des Weiteren ist mit Verstellen der Leitbleche ein völliges Verschließen des Rotors z. B. bei Sturm, Hagel oder Schneefall möglich. Um den Einsatz eines teuren und Kraft zehrenden Getriebes zu vermeiden, wird die relativ hohe Umfangsgeschwindigkeit des Rotoraußendurchmessers direkt zur Umsetzung für den Generatorantrieb verwendet. Der Einsatz von Reib- oder Kammräder, Keilriemen, Kettenantrieben, die die Übersetzung aus der großen Durchmesserdifferenz zweier Räder generieren, ermöglichen erfindungsgemäß eine relativ verlustarme und preisgünstige Übersetzung, vorzugsweise ohne eigenes Getriebe.
  • Der Querschnitt jedes Rotorblattes ist vorzugsweise so ausgebildet wie die Tragfläche eines Flugzeuges. Der entstehende Bernoulli-Effekt erhöht die Rotationskraft und damit den Wirkungsgrad des Rotors bzw. der Windkraftanlage.
  • Da an jedem Gebäude ein Luftstau an den Seitenwänden entsteht, der an den Übergängen von den senkrechten Wänden zu den Dachflächen Luftwirbel erzeugt, ist die Installation von Leitblechen in Abhängigkeit der Gebäudekonturen zur Erhöhung des Wirkungsgrades erfindungsgemäß vorgesehen.
  • Das Prinzip der Erfindung ist an nachstehender Systemzeichnung dargestellt:
    Hierbei zeigt I den Querschnitt und II die Draufsicht eines auf einem Gebäude montierten erfindungsgemäßen Schraubenrotors mit seinen Leitblechen. Der Rotor besteht aus einer waagrechten drehbaren Welle 1, den Flügeln 2, die in beliebiger Anzahl montiert sind und dem kreisförmigen Abschlussbleche 3. Die Bestandteile 1–3 bilden den drehbar gelagerten Rotor. Der einströmende Wind bei angenommener Windrichtung aus A wird zwischen der Dachfläche 4 und dem verstellbaren Leitblech 5 trichterförmig zusammengeführt und auf den Rotor geleitet, wobei das Leitblech 6 den Luftstrom auf die über der Längsachse 1 angeordneten Rotorblätter 2 bündelt. Die Leitbleche 5 und 7 sind über Drehpunkte 5a und 7a schwenkbar gelagert und können mittels Verstelleinrichtungen geregelt werden. Bei Überschreiten der technisch bedingten maximalen Windgeschwindigkeit können die Trichterwinkel Alpha und Beta so verändert werden, dass die Luftzuführung regelbar ist. Die Haube 8 bildet mit dem gemuldeten Bodenblech 9 die Wirkungsgrad optimierenden Leitbleche, vergleichbar mit dem Gehäuse einer Wasserturbine.
  • Um die einströmende Luft z.B. aus Windrichtung A auf den konvexen Teil des Windrotors zu bündeln, dient das Leitblech 6 um die sonst auf den konkaven Teil des Windrotors (unterhalb der drehbaren Achse gegen die Windrichtung) negativen wirkenden Kräfte des Windes zu vermeiden. Die Leitbleche 5, 6, 10 und 10a wirken in ihrer Trichterbildung windbündelnd zusammen.
  • Die Leitbleche 11 bewirken eine Umlenkung der senkrecht nach oben abfließenden Luft (Folge des Luftstaues an den Wänden eines Gebäudes) in Windrichtung und verhindern dadurch die Entstehung von Luftwirbeln bei gleichzeitiger Bündelung der Luftströme und wirken somit wirkungsgraderhöhend.
  • Die Stellung der Leitbleche 7, 12, 12a mit Dachfläche 4a bei Änderung des Windes z.B. von Richtung A zu B bleibt unverändert und ist so vorgesehen, dass dann nur der untere Teil also der Teil unterhalb der Drehachse 1 angeströmt wird, so dass eine Stromproduktion bei gleicher Drehrichtung des Rotors und maximalem Wirkungsgrad ebenfalls ermöglicht wird.
  • Die Schutzstellung der Leitbleche bei Schneefall oder Windstille erfolg durch vollständiges Absenken der Leitbleche 5 und 7 über die Drehpunkte Alpha und Beta. Zwischenstellungen der Leitbleche ermöglichen in Abhängigkeit der Windstärke auch eine sichere Stromproduktion bei Sturm (nicht dargestellt).
  • Zusätzliche Leitbleche 11 zur Verhinderung von Luftwirbeln am Beispiel einer Gebäudekante wirken zusätzlich wirkungsgradsteigernd.
  • Der Stromgenerator 13 greift mit seinem relativ kleinen Rad 14 direkt auf den relativ großen Umfang der Abschlussbleche 3 des Rotors ein und erreicht so die notwendige Übersetzung.
  • Die Steuerung der Leitbleche in Abhängigkeit der Windrichtung, der Windgeschwindigkeit oder die Schutzstellung bei Sturm oder Schneefall ist nicht näher beschrieben.

Claims (19)

  1. Windturbine mit waagrechtem Rotor und waagrechter Achse zur Erzeugung von Energie dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine mit Leitblechen ausgestattet ist.
  2. Windturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche 5 und 7 verstellbar sind.
  3. Windturbine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche 5, 6, 10, 10a, sowie 7, 4a, 12 und 12a den Wind trichterartig bündeln.
  4. Windturbine nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Dachflächen 4 mit den Leitblechen 5, 6, 10 und 10a sowie die Dachfläche 4a mit den Leitblechen 7, 12 und 12a einen Trichter bilden.
  5. Windturbine nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Leitbleche gebündelte Wind nur auf die in Windrichtung drehenden Teile 2 des Rotors wirkt.
  6. Windturbine nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass an den jeweiligen Enden der Windturbine senkrechte Leitbleche 10, 10a, 12 und 12a montiert sind, die die Trichterbildung und somit den Staudruck verstärken.
  7. Windturbine nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Haube 8 (Oberteil) im Radius des Rotors ausgebildet ist und in einem Teilbereich ein Leitgehäuse wie bei einer Dampfturbine bildet.
  8. Windturbine nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil 9 im Radius des Rotors ausgebildet ist und in einem Teilbereich ein Leitgehäuse wie bei einer Dampfturbine bildet.
  9. Windturbine nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor und die Leitbleche in Segmenten hergestellt sind und in beliebiger Länge montiert werden können.
  10. Windturbine nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor in seiner Längsachse in Giebelrichtung montiert wird.
  11. Windturbine nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor in seiner Längsachse gedreht bzw. gewunden oder gedrillt oder in seinen Segmenten versetzt ist, so dass er eine Schraube bildet.
  12. Windturbine nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche so angeordnet sind, dass bei Änderung der Windrichtung der gebündelte Wind immer auf die in Windrichtung drehenden Teile des Rotors wirkt.
  13. Windturbine nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche 5 und 7 vorzugsweise schwenkbar gelagert sind und über ihren verstellbaren Winkel Alpha und Beta in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeiten die Lufteinströmmenge regelbar ist.
  14. Windturbine nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Winkelverstellung der Leitbleche vorwiegend automatisch in Abhängigkeit der Windverhältnisse erfolgt.
  15. Windturbine nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche 5 und 7 so verstellt werden können, dass sie eine Einhausung bilden und der Rotor zum Schutz vor Sturm, Schneefall etc. völlig verschlossen bzw. abgekapselt wird.
  16. Windturbine nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung vom Rotor zum Generator direkt am Außendurchmesser des Rotors mit seiner hohen Umfanggeschwindigkeit abgenommen wird.
  17. Windturbine nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung vom Rotor und seiner relativ großen Umfangsgeschwindigkeit zum Generator mit seinem relativ kleinen Treibrad ohne Getriebe mittels Reibrad, Kammrad, Keilriemen, Kettenräder, Zahnräder usw. erfolgt.
  18. Windturbine nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Rotorblätter 2 so ausgebildet ist wie der Querschnitt der Tragflächen eines Flugzeuges, um den Bernoulli-Effekt wirkungsgradsteigernd zu nutzen.
  19. Windturbine nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass beim Einsatz einer Windturbine auf einem Gebäude an den Übergängen von den senkrechten Wänden zur Dachfläche Leitbleche 11 in Abhängigkeit der Gebäudekonturen installiert werden, die die Luftströme leiten, um die Entstehung von Luftwirbeln zu vermeiden.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2458752A (en) * 2009-02-23 2009-10-07 Alan Vasey Wind turbine apparatus comprising a fairing
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DE102012011743A1 (de) * 2012-06-10 2013-12-12 Josef Gentischer Windturbine mit über Windleitkanäle einzeln beaufschlagten Turbinenschaufeln
CN112412695A (zh) * 2020-11-20 2021-02-26 黑龙江建筑职业技术学院 一种基于低速风的风力发电方法
CZ309287B6 (cs) * 2020-03-05 2022-07-20 Jan Louda Větrná turbína

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