DE202008012430U1 - Anlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie - Google Patents
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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 derDE 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 Umbauung1 wieder. Bei dieser beispielsweisen Ausführung der Anlage entspricht die Fläche und Form der Windeintrittsöffnung2 annähernd der Fläche und Form des als Rotorblatt fungierenden Flächenelementes3 . Dadurch kann die eintretende Windströmung optimal auf die Oberfläche des Flächenelementes3 auftreffen und so effizient die Rotation des Windrades bewirken. Verbunden sind die Flächenelemente3 über die Rotationsachse4 , die funktionell mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Die mechanische Verbindung zwischen der Rotationsachse4 und den Flächenelementen3 wird durch seitliches Einschieben der Flächenelemente3 in an sich bekannte sogenannte Schwalbenschwanzführungen, die in der die Rotationsachse4 bildenden Baugruppe eingebracht sind. So werden Auswechslungen der Flächenelemente3 auf einfach und mit geringem Aufwand ermöglicht. Dabei ist der Generator zu einer der beiden Seiten der Rotationsachse4 angeordnet. Der Windstrom verlässt die Umbauung1 durch die Windaustrittsöffnung5 . Seitlich und oberhalb des hinter der Windeintrittsöffnung2 verlaufenden Windkanales sind weitere Windkanäle13 angeordnet, die den dort auftreffenden Windstrom nach hinten zur Windaustrittsöffnung5 leiten. Oberhalb des Windkanales wird der auftreffende Wind durch die dargestellte Windeintrittsöffnung14 und einem dahinter angeordneten Windkanal13 nach hinten geleitet. An der Windaustrittsöffnung5 treffen dann der Windstrom, dessen Strömungsenergie zum Teil durch die Windräder11 in elektrische Energie umgewandelt wurde und der „ohne Behinderung" durch die Windkanäle13 nach hinten gelangte Windstrom aufeinander. Die Energieunterschiede führen zu einer Sogwirkung, die wiederum zu einer Verstärkung des durch den Windkanal mit den Windrädern11 strömenden Windstromes führt. Dies erhöht wiederum die Effizienz der Energieumwandlung. Die schematische Seitenansicht dieser Ausführungsform ist in2 wiedergegeben. Sie zeigt die Anordnung der Flächenelemente3 an der horizontal angeordneten Rotationsachse4 . Entsprechend der auftretenden Windrichtung mit der stärksten Windströmung wird die Umbauung1 mittels einer nicht näher dargestellten Dreheinrichtung nachgeführt. Die3 stellt die schematische Vorderansicht zweier gegenüber liegender Flächenelemente3 an der Rotationsachse4 dar. Beide Flächenelemente3 weisen einen Luftspalt9 auf, an dessen Ränder jeweils zwei Schliessklappen7 ,8 beweglich befestigt sind. Bei dem oberhalb der Rotationsachse4 dargestellten Flächenelement3 sind die Schliessklappen7 ,8 geschlossen. Dieser Zustand tritt dann ein, wenn der Windstrom auf die Oberfläche des Flächenelementes3 auftrifft. Bewegt sich das Flächenelement3 während der Rotationsbewegung in den Bereich des Windschattens, so öffnen sich die Schliessklappen7 ,8 durch die Federwirkung der zwischen den Schliessklappen7 ,8 und dem Flächenelement3 angeordneten Federelemente6 . Diese Stellung ist bei dem unteren Flächenelement3 gegeben. Mit der Darstellung in4 wird die seitliche Ansicht der beiden Stellungen schematisch wiedergegeben. Das oberhalb der Rotationsachse4 wiedergegebene Flächenelement3 zeigt die Schliessklappen7 ,8 im geschlossenen Zustand während der Phase des Auftreffens des Windstromes. Der geschlossene Zustand ermöglicht die Nutzung der vollen Fläche des Flächenelementes3 für die Energieumwandlung. Erreicht das Flächenelement3 den Windschatten der Rotationsbewegung, so werden durch die Federwirkung der Federelemente6 die Schliessklappen7 ,8 geöffnet und dadurch der Windwiderstand der Flächenelemente3 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 Windkraftbaugruppen10 dar. Jede Windkraftbaugruppe10 besteht aus einem Windrad11 mit einer horizontalen und/oder vertikalen Rotationsachse. Die Rotationsachse jedes Windrades11 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 Windkraftbauguppen10 einheitlich. Die Anordnung mehrerer Windkraftbaugruppen10 innerhalb von gemeinsamen Windkanälen wird so möglich. Dabei kann die Zusammensetzung der Windkanalbaugruppen10 hintereinander, übereinander oder kombiniert erfolgen. Je nach vorhandenen Raumverhältnissen kann der Einsatz der Windkraftbaugruppen10 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 Windleiteinrichtungen12 angeordnet. Der Hauptstrom des Windes gelangt so zu den Flächenelementen3 ohne den übrigen Raum zu durchströmen. Unterstützt wird diese Wirkung durch die entstehenden von Baugruppe zu Baugrupe abwechselnd unterschiedlichen Drehrichtungen der Windräder11 . -
- 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
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 20204945 U1 [0002]
- - DE 102005041600 B3 [0003]
- - DE 102007013885 A1 [0003]
Claims (11)
- 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.
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