DE202008012430U1

DE202008012430U1 - Anlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie

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Publication number: DE202008012430U1
Application number: DE202008012430U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2018-09-19
Also published as: DE102009041421A1

Abstract

Einrichtung zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie, insbesondere innerhalb von Gebäuden, mit horizontal und/oder vertikal angeordneten Windrädern, die mit ihren Rotationsachsen mit elektrischen Generatoren verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb von Gebäuden angeordneten Windräder (11) den in das Gebäude eintretenden Windstrom zugeordnete, mit einer die Rotationsachse bildenden Baugruppe verbundene Flächenelemente (3) aufweisen, die jeweils der Form und Fläche der Windeintrittsöffnung entsprechen und die Flächenelemente (3) so selbstwirkend veränderbar ausgebildet und/oder angeordnet sind, dass sie bei der Bewegung innerhalb des Windschattens des Rotationsbereiches jeweils die Stellung und/oder Form mit dem geringsten Windwiderstand einnehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie, insbesondere für die Anwendung innerhalb von Gebäuden.
Das auf Grund der sich verringernden weltweiten Ressourcen an fossilen Brennstoffen für die Energiegewinnung gestiegene Interesse für die alternative Energiegewinnung aus Solarenergie und der Windkraft, umfasst zunehmend auch die Anwendung derartiger Anlagen innerhalb oder an Gebäuden bzw. Wohnhäusern. So wird nach der DE 202 04 945 U1 eine Windkraftanlage zur Integration in ein Gebäude beschrieben, bei der in mindestens einem Luftkanal Windturbinen angeordnet sind. Dabei ist der Luftkanal im Firstbereich des Gebäudes durchgehend angeordnet. Durch die Anordnung der Luftkanalmündungen an gegenüberliegenden Giebeln eines Hauses werden die Strömungsenergien besser genutzt. Ergibt sich der Verlauf des Firstes in Richtung der ortsvorherrschenden Hauptwindrichtung so ist der Wirkungsgrad der Anlage am höchsten.
Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch die Abhängigkeit der Effizienz bei der Energieumwandlung von der jeweiligen Lage des Gebäudes. Sie ist dadurch nur für ausgewählte Gebäude optimal geeignet. Ein weiterer Nachteil besteht im hohen Aufwand für die Einbauten der Windkanäle sowie der geringen Effizienz durch die Anwendung konventioneller Windturbinen. Bei der durch die DE 10 2005 041 600 B3 aufgezeigten Windkraftanlage kommt ein vertikaler Rotor zur Anwendung, der unabhängig von der Windrichtung durch die auftreffenden Windströmungen angetrieben wird. Der Rotorkern der Windkraftanlage weist ein an diesem angeformtes nockenartiges Rotorblatt auf. Angeordnet ist der Rotor innerhalb eines Gehäuses, das mit einer Windeintrittsöffnung und einer Windaustrittsöffnung versehen ist. Das nockenartige Rotorblatt wird in einem innerhalb des Gehäuses gebildeten ringförmigen Windleitkanal vom Wind angetrieben und steht mit einem elektrischen Generator in funktioneller Verbindung. Mit dieser Anlage ist eine kostengünstige Ausführung einer Windkrafteinrichtung geschaffen worden, die einen vertikalen Rotor aufweist und dadurch nicht in den Wind gedreht werden muss. Nachteilig an dieser Anlage sind jedoch der funktionsbedingte Einsatz nur eines Rotorblattes mit der damit verbundenen begrenzten Effizienz bei der Energieumwandlung, die erforderliche separate Anpassung der jeweiligen Anlage an die vorhandenen Raumverhältnisse und die auftretende Geräuschentwicklung. In der DE 10 2007 013 885 A1 wird eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie beschrieben, bei der das Windrad und der Generator unterhalb der Dachabdeckung angeordnet sind. Das zur Anwendung kommende Windrad weist einen Radialrotor auf, der mit Rotorblättern versehen ist, die die Form von Flugzeugflügeln besitzen. Durch diese Ausbildung der Rotorblätter findet eine Verdichtung der Windströmung statt und lässt die Rotoren schneller als die Windgeschwindigkeit rotieren. Auch wird, durch die Form der Rotorblätter bedingt, eine Sogwirkung des Windes erzeugt, die unerwünschte Druckkräfte auf die Rotorblätter ausgleicht. Auch bei dieser Windkraftanlage ist es von Nachteil, dass für jede Anlage eine Anpassung an die räumlichen Gegebenheiten erfolgen muss und die Effizienz der Energieumwandlung von der Windrichtung abhängig ist. Nachteilig ist auch bei dieser Anlage die starke Geräuschentwicklung während des Betriebes.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Schaffung einer derartigen Einrichtung, die einen höheren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung aufweist, eine optimalere Anpassung an vorhandene räumliche Gegebenheiten der unterschiedlichen Einsatzorte ermöglicht und eine geringere Geräuschentwicklung während des Betriebes der Anlage bewirkt.
Gelöst wird die Aufgabe mit der entwickelten Anlage entsprechend der beschreibenden Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 11 beschrieben. Mit der geschaffenen Anlage werden die durch die Windeintrittsöffnungen eintretenden und auf die Flächenelemente auftreffenden Windströme effizienter in elektrische Energie umgewandelt. Die erreichte Wirkungsfläche der Flächenelemente für die Umwandlung der Windenergie beträgt ca. 30% bis 40% der Größe der Windkraftanlage. Damit wird die Größe konventioneller Windkraftanlagen bei gleichbleeibender Energiegewinnung um ca. 70% verkleinert. Durch die sich selbsttätig anpassende Veränderung des Windwiderstandes der Flächenelemente im Windschatten des Rotationsbereiches, aufgrund der selbstwirkenden Veränderung ihrer Wirkfläche und Form, wird der Wirkungsgrad der Energieumwandlung erhöht. Wirkungsvoll kann die Stellung bzw. Veränderung der Wirkfläche der Flächenelemente durch seitlich des Rotationsweges angeordnete Führungsbaugruppen, die die Stellungen entsprechend vorgegebener Sollstellungen verändern. Eine starke Senkung der Geräuschentwicklung wird durch die Lagerung der Rotationsachsen im Magnetfeld von Hochtemperatur-Supraleiter-Lager (HTS-Lager) erreicht. Neben der geräuschlosen Lagerung bewirkt die Anwendung der HTS-Lager aufgrund des fehlenden Reibungswiderstandes in den Lager eine höhere Effizienz der Energieumwandlung und eine höhere Lebensdauer der Lager.
Die Möglichkeit der optimalen Anpassung der Anlage an unterschiedliche räumliche Gegebenheiten wird durch die Schaffung von einheitlichen (standardisierten) Baugruppen geschaffen, die in der erforderlichen Anzahl funktionell zusammenwirkend aneinander gereiht werden können. Dabei besitzt jede Windkraftbaugruppe ein Windrad und ein mit diesem verbundenen Generator sowie die entsprechenden Lagerungen. Zwecks Vermeidung von Windverwirbelungen innerhalb der Windkanäle werden zwischen den zusammenwirkenden Windkraftbaugruppen Windleiteinrichtungen angeordnet, die die Windströmungen gezielt durch die Windkanäle leiten und so Energieverlusten entgegenwirken. Durch die Einbringung von Vertiefungen in die Oberfläche der Flächenelemente wird deren wirksame Fläche vergrössert und durch die formbedingte punktförmige Bündelung der auftreffenden Windströme der Wirkungsgrad der Anlage erhöht.
Die Erfindung soll nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
1: die schematische Vorderansicht der Windkraftanlage,
2: die schematische Seitenansicht der Windkraftanlage,
3: die Vorderansicht des Flächenelementes,
4: die Seitenansicht des Flächenelementes und
5: das Blockschaltbild von Windkraftbaugruppen.
Die schematische Darstellung in 1 gibt die Vorderansicht der baulichen Anordnung der Windkraftanlage innerhalb der Umbauung 1 wieder. Bei dieser beispielsweisen Ausführung der Anlage entspricht die Fläche und Form der Windeintrittsöffnung 2 annähernd der Fläche und Form des als Rotorblatt fungierenden Flächenelementes 3. Dadurch kann die eintretende Windströmung optimal auf die Oberfläche des Flächenelementes 3 auftreffen und so effizient die Rotation des Windrades bewirken. Verbunden sind die Flächenelemente 3 über die Rotationsachse 4, die funktionell mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Die mechanische Verbindung zwischen der Rotationsachse 4 und den Flächenelementen 3 wird durch seitliches Einschieben der Flächenelemente 3 in an sich bekannte sogenannte Schwalbenschwanzführungen, die in der die Rotationsachse 4 bildenden Baugruppe eingebracht sind. So werden Auswechslungen der Flächenelemente 3 auf einfach und mit geringem Aufwand ermöglicht. Dabei ist der Generator zu einer der beiden Seiten der Rotationsachse 4 angeordnet. Der Windstrom verlässt die Umbauung 1 durch die Windaustrittsöffnung 5. Seitlich und oberhalb des hinter der Windeintrittsöffnung 2 verlaufenden Windkanales sind weitere Windkanäle 13 angeordnet, die den dort auftreffenden Windstrom nach hinten zur Windaustrittsöffnung 5 leiten. Oberhalb des Windkanales wird der auftreffende Wind durch die dargestellte Windeintrittsöffnung 14 und einem dahinter angeordneten Windkanal 13 nach hinten geleitet. An der Windaustrittsöffnung 5 treffen dann der Windstrom, dessen Strömungsenergie zum Teil durch die Windräder 11 in elektrische Energie umgewandelt wurde und der „ohne Behinderung" durch die Windkanäle 13 nach hinten gelangte Windstrom aufeinander. Die Energieunterschiede führen zu einer Sogwirkung, die wiederum zu einer Verstärkung des durch den Windkanal mit den Windrädern 11 strömenden Windstromes führt. Dies erhöht wiederum die Effizienz der Energieumwandlung. Die schematische Seitenansicht dieser Ausführungsform ist in 2 wiedergegeben. Sie zeigt die Anordnung der Flächenelemente 3 an der horizontal angeordneten Rotationsachse 4. Entsprechend der auftretenden Windrichtung mit der stärksten Windströmung wird die Umbauung 1 mittels einer nicht näher dargestellten Dreheinrichtung nachgeführt. Die 3 stellt die schematische Vorderansicht zweier gegenüber liegender Flächenelemente 3 an der Rotationsachse 4 dar. Beide Flächenelemente 3 weisen einen Luftspalt 9 auf, an dessen Ränder jeweils zwei Schliessklappen 7, 8 beweglich befestigt sind. Bei dem oberhalb der Rotationsachse 4 dargestellten Flächenelement 3 sind die Schliessklappen 7, 8 geschlossen. Dieser Zustand tritt dann ein, wenn der Windstrom auf die Oberfläche des Flächenelementes 3 auftrifft. Bewegt sich das Flächenelement 3 während der Rotationsbewegung in den Bereich des Windschattens, so öffnen sich die Schliessklappen 7, 8 durch die Federwirkung der zwischen den Schliessklappen 7, 8 und dem Flächenelement 3 angeordneten Federelemente 6. Diese Stellung ist bei dem unteren Flächenelement 3 gegeben. Mit der Darstellung in 4 wird die seitliche Ansicht der beiden Stellungen schematisch wiedergegeben. Das oberhalb der Rotationsachse 4 wiedergegebene Flächenelement 3 zeigt die Schliessklappen 7, 8 im geschlossenen Zustand während der Phase des Auftreffens des Windstromes. Der geschlossene Zustand ermöglicht die Nutzung der vollen Fläche des Flächenelementes 3 für die Energieumwandlung. Erreicht das Flächenelement 3 den Windschatten der Rotationsbewegung, so werden durch die Federwirkung der Federelemente 6 die Schliessklappen 7, 8 geöffnet und dadurch der Windwiderstand der Flächenelemente 3 weitestgehend verringert. Der Entstehung von Windverwirbelungen und Sogwirkungen wird entgegen gewirkt und die Effizienz der Energieumwandlung erhöht.
Das in 5 dargestellte Blockschaltbild stellt die Anordnung von drei Windkraftbaugruppen 10 dar. Jede Windkraftbaugruppe 10 besteht aus einem Windrad 11 mit einer horizontalen und/oder vertikalen Rotationsachse. Die Rotationsachse jedes Windrades 11 ist mit einem Generator verbunden. Als Lagerungen der Rotationsachsen dienen an sich bekannte Hochtemperatur-Supraleiter-Lager. Die gerätetechnische Dimensionierung und die technischen Parameter sind bei den Windkraftbauguppen 10 einheitlich. Die Anordnung mehrerer Windkraftbaugruppen 10 innerhalb von gemeinsamen Windkanälen wird so möglich. Dabei kann die Zusammensetzung der Windkanalbaugruppen 10 hintereinander, übereinander oder kombiniert erfolgen. Je nach vorhandenen Raumverhältnissen kann der Einsatz der Windkraftbaugruppen 10 nach Anzahl und Anordnung optimal gestaltet werden.
Zwecks Vermeidung von Windverwirbelungen und optimaler Lenkung des Windstromes innerhalb der gemeinsamen Windkanäle werden zwischen den Windkraftbaugruppen 10 Windleiteinrichtungen 12 angeordnet. Der Hauptstrom des Windes gelangt so zu den Flächenelementen 3 ohne den übrigen Raum zu durchströmen. Unterstützt wird diese Wirkung durch die entstehenden von Baugruppe zu Baugrupe abwechselnd unterschiedlichen Drehrichtungen der Windräder 11.

1: Umbauung
2: Windeintrittsöffnung
3: Flächenelement
4: Rotationsachse
5: Windaustrittsöffnung
6: Federelement
7: Schliessklappe
8: Schliessklappe
9: Luftspalt
10: Windkraftbaugruppe
11: Windrad
12: Windleiteinrichtung
13: Windkanal
14: Windeintrittsöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20204945 U1 [0002]
- DE 102005041600 B3 [0003]
- DE 102007013885 A1 [0003]

Claims

Einrichtung zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie, insbesondere innerhalb von Gebäuden, mit horizontal und/oder vertikal angeordneten Windrädern, die mit ihren Rotationsachsen mit elektrischen Generatoren verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb von Gebäuden angeordneten Windräder (11) den in das Gebäude eintretenden Windstrom zugeordnete, mit einer die Rotationsachse bildenden Baugruppe verbundene Flächenelemente (3) aufweisen, die jeweils der Form und Fläche der Windeintrittsöffnung entsprechen und die Flächenelemente (3) so selbstwirkend veränderbar ausgebildet und/oder angeordnet sind, dass sie bei der Bewegung innerhalb des Windschattens des Rotationsbereiches jeweils die Stellung und/oder Form mit dem geringsten Windwiderstand einnehmen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente (3) innerhalb des die Windenergie umwandelnden Rotationsbereiches durch Arretierungselemente in ihrer Stellung arretiert und bei Erreichung des im Windschatten liegenden Rotationsbereiches selbstwirkend veränderbar mit der innerhalb der die Rotationsachse bildenden Baugruppe verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente (3) innerhalb der Rotationsachse bildenden Baugruppe beweglich gelagert und zu beiden Seiten des Rotationsweges der Flächenelemente (3) Führungsbaugruppen angeordnet sind, die jeweils zwecks seitlicher Steuerung der Stellung und/oder Lagerung der Flächenelemente (3) mit diesen in Wirkverbindung stehen.
Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Rotationsachse bildenden und die Verbindung zum Generator herstellenden Baugruppen in Hochtemperatur-Supraleiter-Lager gelagert sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei jeweils aus einem Windrad (11) und einem mit diesen verbundener Generator bestehende Windkraftbaugruppen (10) im Windkanal hintereinander angeordnet sind.
Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Windkraftbaugruppen (10) auftretende Windverwirbelungen verhindernde Windleiteinrichtungen (12) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Flächenelementen (3) Vertiefungen eingebracht sind, die zur punktförmigen Bündelung der auftreffenden Luftströme dienen.
Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlichen Vertiefungen eine pyramidenförmige Form aufweisen.
Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlichen Vertiefungen eine kegelförmige Form aufweisen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente (3) mindestens einen durch Schliessklappen (7; 8) verschliessbaren Luftspalt aufweisen und die Schliessklappen (7; 8) über Federelemente (6) derart mit den Flächenelementen (3) verbunden sind, dass sie ohne Windeinwirkung in geöffneter Stellung gehalten werden.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb und/oder seitlich der die Windräder (11) enthaltenen Windkanäle weitere, eine auf die Stärke des Windstromes verstärkend einwirkende Sogwirkung erzeugende, Windkanäle (13) angeordnet sind.