DE202008015173U1

DE202008015173U1 - Axialsymmetrische Windkraftanlage mit vertikalen Achsen und Photovoltaik

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Publication number: DE202008015173U1
Application number: DE202008015173U
Authority: DE
Original assignee: PEICKERT ULRICH JOACHIM CHRIST; Peickert Ulrich Joachim Christian Dipl-Arch; WEGENER KARLHEINZ JOACHIM; Wegener Karlheinz Joachim Dipl-Ok (oec)
Current assignee: PEICKERT ULRICH JOACHIM CHRIST; Peickert Ulrich Joachim Christian Dipl-Arch; WEGENER KARLHEINZ JOACHIM; Wegener Karlheinz Joachim Dipl-Ok (oec)
Priority date: 2008-11-15
Filing date: 2008-11-15
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2018-11-16

Abstract

Die axialsymmetrische Windkraftlage mit vertikalen Achsen und Photovoltaik, die im Folgenden als „Windkraftanlage" bezeichnet wird, besteht aus folgenden Hauptkomponenten:
• ein Grundkörper (19g),
• ein Oberteil (19o),
• ein Lamellenring (1LR),
• ein Rotorring (1RR)
• wahlweise: drei oder mehr Verstrebungen (20)
• wahlweise: eine Tragekonstruktion (22) oder (25) mit Fundamenten (22f) oder (25f)
• drei oder mehr Verankerungselemente (22a) oder (25a)
• wahlweise: eine Photovoltaikanlage (24) mit einer Nachführung oder ohne Nachführung (23)

Der Grundkörper (19g) besteht aus
• aus einem kugelförmigen oder elliptisch geformten Fläche auf der Oberseite (19go) und
• einer glatten oder leicht nach unten gewölbten Fläche (10gu) an der Unterseite

Der Grundkörper (19g) enthält
• eine Achse (17),
• zwei Achslager (17a) mit entsprechenden Achshalterungen,
• ein Generator (21), mit Getriebe oder ein Generator (21) und Getriebe...

Description

Hauptbestandteile
Diese Erfindung bezieht sich auf eine axialsymmetrische Windkraftanlage (0) mit

• einem Rotorring ((1RR) – 1, Ansicht A), bestehend aus den Rotorblättern ((1R), (2R), usw.) und zwei Rotorblatthalterungen ((18) – 1 – Ansicht B),
• einem Lamellenring ((1LR) – 1, Ansicht A), bestehend aus den Lamellen ((1LR), (2L) usw.),
• einem Oberteil ((19o) – 11),
• einem Grundkörper ((19g) – 11),
• wahlweise mit drei Verstrebungen ((20) – 3, Ansicht A und B) zwischen dem Grundkörper ((19g) – 3 Ansicht B) und dem Oberteil ((19o) – 3 – Ansicht B).
• zwei vertikalen Achsen ((17) – 0, Ansicht B) mit je zwei Achslagern (17L),
• und einem Generator mit Getriebe ((21) – 0, Ansicht B) oder einem Generator und Getriebe (21), der im Grundkörper ((19g) – 0, Ansicht B oder im Oberteil ((19o) – 0, Ansicht B) untergebracht werden kann.
• verstellbare Lamellenbefestigungen außen ((1LBa) ... (9LBa) usw. – 7, Ansicht A) und innen ((1LBi) ... (9LBi) usw.),
• verstellbare Rotorblattbefestigungen außen ((1RBa) ... (9RBa) usw. – 8) und innen ((1RBi) ... (9RBi) usw.)
• elektrischem/elektronischem Zubehör wie Verkabelung und wahlweise Wechselrichter.
• wahlweise Tragekonstruktion ((22) oder (25) – 9, 10).

Das Oberteil ((19o) – 0, Ansicht B), der Lamellenring ((1LR) – 0, Ansicht A) und der Rotorring ((1RR) – 0, Ansicht A) mit der Rotorblatthalterung (18) und auch der Grundkörper ((19g) – 0), sind in ihrer Draufsicht kreisförmig.
In der Seitenansicht (3 – Ansicht B und 11) sind u. a. das Oberteil (19o) und der Grundkörper (19g) abgebildet. Die Innenflächen ((19ou) und (19go)) dieser Elemente sind wie die Oberfläche eines Kugelsegments geformt. Sie können aber auch die Oberfläche eines Ellipsoid-Segments annehmen, wobei dann die Flächen in der Draufsicht kreisförmig und in der Seitenansicht elliptisch sind.
Die Formgebung der Rotorblatthalterungen ((18) – 11) sind der Form der Innenseiten ((19ou) und (19go)) angepasst (gleitender Übergang).
Die Dachfläche (19od – 3, Ansicht B) des Oberteils (19o) und die Außenseite (19gu) des Grundkörpers (19g) sollten normalerweise plan oder nur leicht nach oben bzw. unten gewölbt sein. Wenn auf dieser Windkraftanlage eine Photovoltaikanlage mit Nachführung installiert werden soll, ist die asymmetrisch geformte und drehbar gelagerte Dachfläche ((19odar) – 10) zu verwenden.
Wahlweise kann auch die ebene Dachfläche ((19od) – (9, Ansicht A) zur Installation einer Photovoltaikanlage ohne Nachführung benutzt werden.
Zwischen der Innen- und Außenseite der Oberteils ((19o) – 11) und des Grundkörpers (19g) befinden sich diverse Bauteile wie Stabilisierungselemente und die Achsen ((17) – 0, Ansicht B) mit jeweils zwei Lagern (17L). Der Generator mit Getriebe bzw. Generator und Getriebe ((21) – 0, Ansicht B) kann alternativ im Grundkörper (19g) oder Oberteil (19o) unterbracht werden.
Der Grundkörper ((19g) – 9 und 10) enthält Verankerungselemente (22a) oder (25a), die es gestatten, diese Windkraftanlage auf Flachdächern von Hochhäusern oder auf einer Tragekonstruktion ((22) oder (25) – 9 und 10)) zu befestigen.
Strömungseigenschaften
– Ernteflächen
Die Figuren (außer 6) illustrieren die Strömungseigenschaften am Beispiel eines Rotors mit 16 axialsymmetrisch angeordneten Rotorblättern ((1R), (2R), usw.) sowie 16 Lamellen ((1L), (2L), usw.), die ebenfalls axialsymmetrisch angeordnet sind.
Diese Erfindung ist nicht auf 16 Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) eines Rotorrings (1RR) und auch nicht auf 16 Lamellen ((1L), (2L) usw.) eines Lamellenrings (1LR) beschränkt. Die optimale Anzahl der Lamellen ((1L), (2L) usw.) und der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) hängt von der Größe dieser Windkraftanlage und anderen Faktoren ab.
Bei den Figuren (außer 6) und beim überwiegenden Teil der folgenden Darlegungen werden die relevanten Strömungseigenschaften und die Funktionsweise dieser Erfindung an einem Beispiel mit 16 Lamellen ((1L), (2L) bis (16L)) und mit 16 Rotorblättern ((1R), (2R) bis (16R)) demonstriert.
1 – Ansicht A skizziert, wie der Wind im rechten Winkel auf die Leitflächen bzw. Lamellen (8L) bis (16L) weht. Im Gegensatz dazu skizziert die Ansicht B der 1 eine Windrichtungsänderung um 11,25 Grad. Die zwischen 0 und 11,25 Grad liegenden Strömungsverhältnisse müssen nicht durchgängig skizziert und kommentiert werden. Die beiden Ausgangssituationen nach Ansicht A und Ansicht B der 1 sind für eine abschließende Bewertung der Strömungseigenschaften ausreichend.
Ein weiterer Unterschied zwischen den Ansichten A und B der 1 ist, dass zusätzlich in Ansicht B die Unterseite (19ou) des Oberteils (19o), die Rotorblatthalterung (18) und die Achse (17) eingezeichnet sind. Diese Teile befinden sich nicht innerhalb des eigentlichen Rotorraums sondern begrenzen diesen Raum nach oben und unten hin.
Die einzelnen Kammern ((8K) bis (15K) – 1 – Ansicht A) auf der Anströmseite unterscheiden sich im Anströmwinkel auf die Lamellen (8L) bis (16L) und der Größe der windzugewandten Flächen. Beispielsweise trifft der Wind fast rechtwinklig auf die Kammern (12K) und (11K), während die Kammern (8K) und (15K) vom Wind nur gestreift werden. Bei (8K) und (15K) ist nicht nur die vom Wind getroffene Fläche sehr klein. Auch die Anströmung im fast rechten Winkel auf die Lamellen (8L) und (16L) bedeutet, dass die Kammern (8K) und (15K) kaum oder keinen Beitrag zur Energieumwandlung leisten. Im Gegensatz dazu beträgt der Anströmwinkel zur Lamelle (12L) nahezu null Grad. Deshalb ist die Wirkung auf die benachbarten Kammern (11K) und (12K) am größten.
Es ist offensichtlich, dass die einzelnen Kammern ((8K) bis (15K – 1, Ansicht A)) einen sehr unterschiedlichen Beitrag zur Energieumwandlung haben. Um die Leistungsfähigkeit dieser Erfindung zu beurteilen, ist es wichtig zu wissen, wie groß die quer zum Wind stehenden Flächen (Querflächen) der einzelnen angeströmten Kammern ((8K) bis (15K)) sind.
Bei der Berechnung der angeströmten Fläche einer Kammer kann davon ausgegangen werden, dass diese proportional der angeströmten Kammerbreiten ((8Kb) bis (15Kb) – 1, Ansicht A) sind. Wenn der Außendurchmesser des Lamellenrings (dLRa – 1, Ansicht B) 100% entspricht, ergeben die einzelnen Breiten (8Kb) bis 15Kb) der Kammern (8K) bis (15K) die prozentualen Flächenanteile der einzelnen Kammern.
Die prozentualen Flächenanteile der angeströmten Kammern nach 1 (Ansicht A) betragen annähernd für (8K) und (15K) je 2,8%, für (9K) und (14K) je 11,1%, für (10k) und (13K) je 16,7% und für (11K) und (12K) 19,4%).
Die prozentualen Anteile der angeströmten Kammern nach 1 (Ansicht B) betragen annähernd für (7K) und (15K) je 1,1%, für (8K) und (14K) je 6,7%, für (9K) und (13K) je 12,4%, für (10K) und (12K) je 19,4%) und für (11K) 20,8%.
Bei den folgenden Erläuterungen wird die Anströmfläche des Lamellenrings (A_LR)_, die sich aus dem Produkt des Außendurchmessers (dLRa) und der Höhe (hLRa) des Lamellenrings (1LR) an der Außenseite ergibt, als Bezugsgröße zum Vergleich mit anderen Rotortypen verwendet.
Vergleicht man die Anströmfläche (A_LR) des Lamellenrings (1LR) dieser Erfindung mit der Anströmfläche eines nicht umhüllten Rotors mit vertikaler Achse (z. B. Savoniusrotor), dann sind jedoch einige Unterschiede feststellbar.
Bei vergleichbaren Rotorabmessungen bzw. der sich drehenden Teile vergrößert sich die Anströmfläche bei dieser Windkraftanlage durch den Lamellenring (1LR) erheblich.
Die „tatsächliche Erntefläche" eines Savoniusrotors ohne umgebende Leitflächen beträgt rund die Hälfte der Anströmfläche. Die andere Hälfte ist einer Gegenkraft auf die rückläufigen Rotorblätter ausgesetzt und deshalb kontraproduktiv. Bei dieser Erfindung schwankt die „tatsächliche Erntefläche" je nach Anströmung zwischen 94,4 und 97,8 Prozent der Anströmfläche (A_LR). Das ergibt sich aus 1 (Ansicht A und Ansicht B) sowie Rechenergebnissen, die aus 1 (Ansicht A und Ansicht B) abgeleitet unter [0017] und [0018] dokumentiert sind. Die Kammern (8K) und (15K) bleiben bei einer Anströmung nach 1 (Ansicht A) nahezu unwirksam, weil der Wind im rechten Winkel auf die benachbarten Lamellen (8L) und (16L) auftrifft. Die Flächenanteile dieser beiden Kammern (8K) und (15k) betragen zusammen 5,6%. Bei einer Windrichtungsänderung bis 11,25 Grad (1 – Ansicht B) sind die Kammern (7K) und (15K) mit 2,2 Prozent der Anströmfläche (A_LR) wirkungslos und fallen als Erntefläche aus. In diesem Fall beträgt die tatsächliche Erntefläche (1 – Ansicht B) 97,8 Prozent. Im Gegensatz dazu nutzt der nicht umhüllte Savoniusrotor rund 50% der Anströmfläche aus, während bei dieser Erfindung zwischen 94,4% und 97,8% als Erntefläche wirksam werden.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen dem umhüllten Rotorring (1RR) dieser Erfindung und einem nicht verhüllten Savoniusrotor besteht darin, dass die Gegenkräfte, die beim Savoniusrotor auf die rückläufigen Rotorblätter wirken, bei dieser Windkraftanlage so umgelenkt werden, dass auf keinem Rotorblatt Gegendruck ausgeübt wird. Die Umlenkung des Windes in Ansicht A der 1 erfolgt überwiegend in den Kammern (13K), (14K) und (15K). Die umgelenkten Winde in diesen Kammern (13K), (14K) und (15K) liefern ebenfalls einen Beitrag zu Energieumwandlung, obwohl die relativ starken Umlenkungen mit einer geringeren Wirkung verbunden sind. Entscheidend ist aber, dass die Gegenkräfte auf die rückläufigen Rotorblätter vermieden werden.
Die optimalen Kammern für die Energieumwandlung nach 1 (Ansicht A) sind die Kammern (11K), (12K) und mit kleinen Einschränkungen (10K). Die Erntefläche dieser Kammern ((12), (11K), (10K)) beträgt rund 55,5% von der gesamten Anströmfläche.
Die optimalen Kammern für die Energieumwandlung nach 1 der Ansicht B sind ebenfalls die Kammern (12K), (11K) und (10K). Die Erntefläche dieser Kammern ((12), (11K) und (10K)) beträgt rund 59,6% der gesamten Anströmfläche.
Unabhängig von der Windrichtung (1 – Ansicht A und Ansicht B) liegen optimale Anströmverhältnisse von über 50% der gesamten Anströmfläche vor. Bei den nicht-verkleideten Savoiusrotoren sind es maximal 50%.
Aus den bisherigen Erläuterungen lassen sich folgende Vorteile gegenüber den nicht verkleideten Savoniusrotoren erkennen:

• Der feststehende Lamellenring (1LR) vergrößert die Erntefläche und die Anströmfläche erheblich.
• Die Erntefläche der optimalen Kammern (rund 55%) ist deutlich größer.
• Die nicht so optimalen Ernteflächen der Kammern (14K), (13K) und (9K) der Ansicht A in 1 mit 38,9% der Anströmfläche sowie der Kammern (14K), (13K), (9K) und (8K) der Ansicht B in 1 mit 38,2% der Anströmfläche liefern einen zusätzlichen Beitrag zur Energieumwandlung.
• Die Kammern (14K), (13K) und teilweise (12K) in 1 (Ansicht A und Ansicht B) verhindern Gegenkräfte auf die rückläufigen Rotorblätter. Auf weitere Einflüsse dieser Kammern wird an späterer Stelle näher eingegangen.

– Konzentrator und Diffuser
Die unter [0027] genannten Vorteile können nur wirksam sein, wenn der Lamellenring (1LR) auf der windabgewandten Seite und innerhalb des Rotorrings (1RR) keine oder nur geringe Nachteile bewirkt.
2 (Ansicht A) verdeutlicht am Beispiel der Kammer (12K), dass die Kammern auf der windzugewandten Seite als Konzentrator fungieren. Der Querschnitt der Kammern verjüngt sich von außen nach innen in der Breite (von b1 zu b2). Deshalb erfolgt eine starke Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von b1 nach b2. (2 – Ansicht A). Auch im Bereich der Rotorblätter zwischen b2 nach b3 gibt es eine weitere Verjüngung des Querschnitts.
2 (Ansicht A) illustriert am Beispiel der Kammer (4K), dass die Kammern auf der windabgewandten Seite als Diffuser fungieren. Der Querschnitt der Kammern vergrößert sich von innen nach außen in der Breite (von b2' nach b1'). Deshalb erfolgt eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von b2' nach b1'. (2 Ansicht A). Auch im Bereich der Rotorblätter zwischen b3' nach b2' gibt es eine weitere Vergrößerung des Querschnitts in Richtung b1'.
Bei den Kammern (12K) und (4K) stimmen die Breiten b3 mit b3', b2 mit b2' und b1 mit b1' überein. Den einströmenden Luftmassen stehen vergleichbare Querschnitte als Ausströmfläche zu Verfügung. Von der Anströmseite bis zur Mitte des Rotorraumes werden die Luftmassen beschleunigt und dahinter entsprechend ausgebremst.
– Rotorblätter ((1R), (2R) usw.)
Die Formgebung der Rotorblätter (z. B. (12R) und (13R) – 2 – Ansicht A), die dem Querschnitt einer Tragfläche sehr ähnlich sind, bewirkt einerseits einen Überdruck ((ü) – dunkler Doppelpfeil in 2 – Ansicht A) und andererseits einen Unterdruck ((u) – heller Doppelpfeil in 2 – Ansicht A). Dementsprechend wirkt an der Anströmseite des Rotorrings ((1RR) – 2 – Ansicht A) eine Kraft nach unten bzw. eine Drehbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn.
Auf der Ausströmseite (z. B. an den Rotorblättern ((4R) und (5R) – 2 – Ansicht A) bewirken der Über- und Unterdruck ebenfalls eine Kraftwirkung entgegen dem Uhrzeigersinn. Das verbleibende Energiepotenzial wird auch an der Ausströmseite teilweise zur Energieumwandlung genutzt.
– Magnuseffekt
Die 2 (Ansicht B) illustriert noch zwei weitere strömungstechnische Effekte,

• den Magnuseffekt insbesondere in der Nähe der Kammern ((1K), (2K) und (6K), 7(K)),
• und den Unterdruck, der durch das seitliche Umströmen des Lamellenrings (1LR) in der Nähe der Kammern ((7K), (8K) – 2, Ansicht B) und auf der gegenüberliegenden Seite bei den Kammern ((15K) und (16K)) entsteht.

In Abhängigkeit von bestimmten Konstruktionsmerkmalen – wie z. B. die Verringerung der Höhe der Lamellen ((1L), (2L) usw. – 11) und der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) von außen nach innen – entsteht innerhalb des Rotorrings (1RR) ein Unterdruck, der größer, gleich oder kleiner sein kann als der Unterdruck an der Außenseite der Kammern ((7K), (8K) – 2, Ansicht B) und ((15K), (16K)).
Ist der Unterdruck an der Außenseite der Kammern ((7K), (8K), (15K) und (16K) – 2, Ansicht B) wesentlich größer, dann wird ein Teil der Luftmassen aus dem Zentrum des Rotorgehäuses ((1RG) – 0, Ansicht B) durch diese Kammern nach außen strömen. Dort treffen sich dann zwei Strömungen, und zwar die Austrittsströmung aus dem Innenraum und die Umströmung des Lamellenrings (1LR), so dass sich dort der Unterdruck noch verstärkt.
An der Ausströmseite – insbesondere in der Nähe der äußeren Kammern ((1K). (2K)) und ((6K), (7K) – begegnen sich die Austrittsströmungen dieser Kammern mit der Umströmung des Lamellenrings (1LR) und bewirken einen beträchtlichen Unterdruck, der einem Sog auf die Kammern der windabgewandten Seite (1K), (2K), (3K)), (4K), (5K), (6K) und (7K) ausübt. Deutlich wird die hier beschriebene Situation in Ansicht A der 3.
Ist der Unterdruck im Innenraum des Rotorrings (1RR) wesentlich größer als an der Außenseite der umströmten Kammern ((7K), (8K) und (15K), (15K) – 2 Ansicht B), strömen Luftmassen von außen in den Lamellenring (1LR) und Rotorring (1RR). Auf Grund der starken Umlenkung wird der Anteil dieser Strömung relativ gering sein. Sie hat aber zur Folge, dass auf die Rotorblätter (1R) und (16R) sowie (7R) und (8R) ein Unterdruck und Überdruck entsteht. Diese verursachen eine positive Kraftwirkung entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn. Allerdings wird es in diesem Fall zu einer zusätzlichen Verwirbelung im Innenraum des Rotorrings (1RR) kommen.
Die Vor- und Nachteile der unter [0036] bis [0038] beschriebenen Strömung werden sich in gewissen Grenzen ausgleichen. Sie beeinflussen überwiegend das Strömungsverhalten auf der Ausströmseite, die einen wesentlich geringeren Anteil an der Energieumwandlung gegenüber der Anströmseite hat.
– Auf- und Abwinde
Bei Standorten mit hoher Rauigkeit treten starke Verwirbelungen sowie häufige Windrichtungsänderungen in horizontaler und vertikaler Richtung auf (Windschleppen).
Aus den bisherigen Darlegungen geht hervor, dass diese Windkraftanlage sehr gut mit den horizontalen Windrichtungsänderungen zurecht kommt und keine Windnachführungstechnik benötigt.
Die folgenden Darlegungen befassen sich mit den konstruktiven Merkmalen dieser Erfindung, die verhindern, dass bei auftretenden Auf- und Abwinden, die mehr als 10 Grad von der Waagerechten abweichen, keine oder nur sehr seltene Strömungsabrisse auftreten.
Insbesondere die 11 veranschaulicht, dass die Innenflächen des Grundkörpers (19go) und der Oberteils (19ou) in einer Seitenansicht eine Kreisform besitzen. Das trifft auch für die beiden Rotorblatthalterungen (18) zu. Der Radius dieser Kreisformen ist sehr groß und der Krümmungsgrad somit relativ gering. Die Formgebung der o. g. Elemente kann in der Seitenansicht auch elliptisch sein.
Die Höhe des Rotorrings (1RR) und des Lamellenrings (1LR) vergrößern sich nach außen hin auf Grund der o. g. Formgebung (11), wobei die geringe Krümmung Strömungsabrisse weitgehend vermeidet.
Der Krümmungsgrad (11) der Innenflächen (19go) und (19ou) des Grundkörpers ((19g) und des Oberteils (19o) kann so gewählt werden, dass der Winkel α (11) im Bereich zwischen 10 und etwa 25 Grad liegt.
Bereits bei einem Winkel α von 10 Grad (11) kann ein Abriss der Strömung an den Enden des Grundkörpers (19g) und des Oberteils (19o) bei solchen Auf- und Abwinden vermieden werden, die weniger als 20 Grad Abweichung zur Waagerechten haben (d. h. Winkel α + 10 Grad).
Auf- und Abwinde mit erheblichen Abweichungen zur Waagerechten sollten den Lamellenring (1LR) und den Rotorring (1RR) möglichst ohne oder mit geringer Ablenkung an den Ober- und Unterseiten des Lamellenrings (1LR) und des Rotorrings (1RR) passieren. Die 11 veranschaulicht diesen Sachverhalt durch gestrichelte Linien/Pfeile, die Auf- und Abwinde symbolisieren.
Der Durchmesser ((d19) – 11) des Grundkörpers (19g) und des Oberteils (19o) ist aus zwei Gründen größer als der Außendurchmesser (dLRa) des Lamellenrings (1LR):

• Falls aus Stabilitätsgründen zusätzliche Verstrebungen ((20) – 11) verwendet werden (z. B. für Standorte mit extremen Windverhältnissen), müssen diese außerhalb des Lamellenrings (1LR) angebracht werden. Die Verstrebungen (20) sollten möglichst dünn und aerodynamisch geformt sein.
• Die Anströmfläche (A₁₉) – Produkt aus der Anströmhöhe (h19) und Außendurchmesser (dLRa) des Lamellenrings (1LR) – erhöht die Erntefläche, da h19 > hLRa.

Wenn auf die Verstrebungen ((20) – 11) verzichtet wird, müssen die Lamellen ((1L), (2L) usw.) – 7, Ansicht B und C) des Lamellenrings (1LR) die gesamten auftretenden Kräfte zwischen Grundkörper (19g) und Oberteil (19o) aufnehmen.
– Strömungseffekte
3 (Ansicht A) illustriert das Strömungsverhalten dieser Windkraftanlage unter Berücksichtigung der konstruktiven Merkmale, auf die bereits näher unter Bezugnahme auf 1 und 2 eingegangen wurde.
In Abhängigkeit von diversen Größen wie Länge, Formgebung und Anstellwinkel (α_ar – 8) der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) sowie die Länge, Formgebung und der Anstellwinkel (α_al – 7) der Lamellen ((1L), (2L) usw.) würde sich im Strömungskanal ein abweichendes Strömungsprofil zeigen.
Dennoch illustrieren die Strömungslinien der Figuren 3, bis 6 die grundlegenden aerodynamischen Eigenschaften dieser Erfindung. Mit Ausnahme der 6, die ein Strömungsprofil mit 12 Rotorblättern ((1R) bis (12R)) und 16 Lamellen ((1L) bis (16L)) zeigt, beziehen sich die Figuren 3 bis 5 auf 16 Rotorblätter ((1R) bis (16R)) und 16 Lamellen ((1L) bis (16L)).
Die Umströmungslinien (3 – Ansicht A) in der Nähe der Kammern ((6K), (7K), (15k) und (16K) verdichten sich, und es entsteht in diesem Bereich ein Unterdruck.
Ist der Unterdruck an der Außenseite der Kammern ((6K), (7K) – 3) und ((15k), (16K)) größer als an der Innenseite, wird aus dem Innenraum des Rotorrings (1RR) ein Teil der Luftmassen entzogen. An der Außenseite der o. g. Kammern treffen die Umströmungslinien mir den Luftmassen aus dem Innenraum des Rotorrings (1RR) zusammen, und der Unterdruck steigt insbesondere an den Außenseiten der Kammern (6K) und (5K) sowie (16K) und (1K) weiter an.
Die engen Linien (3, Ansicht A) in der Nähe der Kammern (6K) und (5K) sowie (16K) und (1K) symbolisieren den dort herrschenden Unterdruck, der einen Sog auf die Kammern (2K), (3K), und (4k) an der Ausströmseite ausübt. In einer gewissen Entfernung auf der Ausströmseite kommt es dann zum Druckausgleich.
Durch die seitliche Umströmung des Lamellenrings (1LR) in Verbindung mit den eintretenden Magnuseffekt ([0054] und [0055]) werden auch Winde indirekt mit einbezogen, die nicht nur durch die Windkraftanlage sondern an sie vorbei strömen.
Im Zentrum des Rotorrings ((1RR) – 3 – Ansicht A) verdichten sich die Strömungslinien. Durch den Unterdruck wird eine Sogwirkung auf die angeströmten Kammern ((10K), (11K) usw.) ausgeübt.
In 4 (Ansicht A) hat sich im Vergleich zu 3 (Ansicht A) der Rotorring um einige Grad entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Die einzelnen Rotorblätter ((1R) (2R) usw.) befinden sich bei 4 in Mittelstellung zwischen zwei Lamellen. Wie bei der 3 wird davon ausgegangen, dass der Unterdruck an den Außenseiten der Kammern ((6K), (7k)) sowie ((15K), (16)) größer ist an ihren Innenseiten.
5 skizziert, wie ein kleiner Teil der anströmenden Luftmassen in die Kammern ((7K) und (15K) von außen nach innen strömt. Dieser Fall kann eintreten, wenn der Unterdruck im Innenraum des Rotorrings (1RR) deutlich größer ist als an den Außenseiten der Kammern (7K) und (15K).
6 zeigt einen Rotorring (1RR) mit nur 12 Rotorblättern ((1R) bis (12R)) und einen Lamellenring (1LR) mit 16 Lamellen ((1L) bis (16)). Die Differenz zwischen der Lamellen- und Rotorblattzahl bewirkt, dass die Positionierung der Lamellen relativ zu den Rotorblättern variiert.
Eine entscheidende Auswirkung, die sich aus der Reduzierung der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) ergibt, ist der größere Abstand zwischen zwei benachbarten Rotorblättern ((1R), R2) usw.). Ist dieser Abstand zu klein, gleicht sich der Überdruck mit dem Unterdruck an zwei benachbarten Rotorblättern zu sehr aus und der Wirkungsgrad sinkt.
Ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Rotorblättern zu groß, gibt es einen Bereich mit durchströmender Luft, der zu weit entfernt ist von den benachbarten Rotorblättern und deshalb keine Kraftwirkung auf diese ausübt. Es kommt also auf eine optimale Dimensionierung an. Größere Anlagen sollten deshalb mehr Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) besitzen.
Befestigung der Lamellen
Die Lamellen ((1L), (2L) usw. – 7) des Lamellenrings (1LR) sind an den Innenfläche ((19ou) des Oberteils (19o) sowie an der Innenfläche (19go) des Grundkörpers (19g) befestigt.
Ein Schnitt durch die ausgewählte Lamelle (9L) in 7, Ansicht C zeigt, dass der Querschnitt am oberen und unteren Ende einer Lamelle ((1l), (2L) usw.) breiter ist als dazwischen. Dadurch vergrößert sich die Grund- und Deckfläche der Lamellen ((1L), (2L) usw.), die für die Befestigung am Grundkörper (19g) und Oberteil (19o) sowie der Stabilität des Rotorgehäuses ((1RG) – 0)) erforderlich sind.
In der Draufsicht (7 – Ansicht A) ist zu erkennen, dass die Lamelle (9L) an der Außen- und Innenseite sehr schmal ist und sich zur Mitte hin verbreitert. Aus strömungstechnischen Gründen sollten die Lamellen ((1L), (2L) usw.) innen und außen über die Gesamthöhe sehr schmal sein, während sie im Mittelteil (in Höhe des Lamellenkabelschachtes (9LS) – 7, Ansicht A) aus Stabilitätsgründen eine Mindestdicke haben müssen.
Auch im Mittelteil (in der Nähe des Lamellenkabelschachtes ((9LS) – 7 – Ansicht A)) sollten die Lamellen ((1L), (2L) usw.) aus strömungstechnischen Gründen nicht zu dick sein. Andererseits garantiert eine Mindestdicke in diesem Bereich eine ausreichende Stabilität und die Unterbringung eines Lamellenkabelschachtes (z. B.: 9LS) für eine Photovoltaikanlage.
Die Lamellenbefestigung ((9LBa) – 7, Ansicht A) außen und innen (9LBi) ermöglichen einerseits die Befestigung der Lamellen ((1L), (2L) usw.) am Grundkörper (19g) und am Oberteil (19o) und andererseits die Veränderung des Anstellwinkels (α_al). Dieser kann in Abhängigkeit von den Windverhältnissen eines Installationsortes optimiert werden.
Die in 7 skizzierten Lamellenbefestigungen innen ((1LBi) ... (9LBi) usw.) und außen ((1LBa) ... (9LBa) usw.) verdeutlichen nur das Prinzip zur Veränderung des Anstellwinkels (α_al). Die technische Realisierung kann davon abweichen.
Befestigung der Rotorblätter
8 illustriert ein ausgewähltes Rotorblatt (9R) des Rotorrings (1RR) mit dem zugehörigen Ausschnitt einer Rotorblatthalterung (18).
Die Ansicht A (8) zeigt das Profil eines ausgewählten Rotorblatts (9R), das dem Querschnitt einer Tragfläche sehr ähnelt.
Das in 8 gezeichnete Profil ist als Beispiel zu verstehen und soll verdeutlichen, dass bei einer Anströmung auf der einen Seite des Rotorblatts (9R) ein Überdruck und auf der anderen Seite ein Unterdruck entsteht. Welche konkrete Formgebung der Querschnitt eines Rotorblatts ((1R), (2R) usw.) hat, ist für diese Erfindung unerheblich.
Bei der Optimierung der Formgebung ist zu bedenken, dass ein Rotorblatt ((1R), (2R) usw.) aus zwei verschiedenen Richtungen angeströmt wird (2). Auf der Anströmseite des Rotorrings (1RR) werden die Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) von der Außenseite her angeströmt und auf der Ausströmseite aus entgegengesetzter Richtung. Die Strömungsverhältnisse auf der An- und Ausströmseite unterscheiden sich deutlich. Dennoch wird nicht ausgeschlossen, dass das Profil der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) symmetrisch ist.
Wie die 8 ferner illustriert, ist der Anstellwinkel (α_ar) der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) variabel. Durch die Rotorblattbefestigungen innen ((1RBi) ... (9RBi) usw.) und Rotorblattbefestigungen außen ((1RBa) ... (9RBa) usw.) kann in Abhängigkeit von den Windverhältnissen eines Installationsortes ein anderer Anstellwinkel (α_ar) gewählt werden.
Die in 8 skizzierten Rotorblattbefestigungen innen ((1RBi) ... (9RBi) usw.) und außen ((1RBa) ... (9RBa) usw.) verdeutlichen nur das Prinzip zur Veränderung des Anstellwinkels (α_ar). Die technische Realisierung kann davon abweichen.
Photovoltaikanlage
Die Dachfläche ((19od) – 9) solcher Windkraftanlagen ist verhaltnismäßig groß und eignet sich für die Bestückung von Photovoltaik-Elementen. Der zusätzliche Aufwand hält sich in Grenzen.
Da diese Windkraftanlagen in einer gewissen Mindesthöhe installiert werden, ist eine Verschattung durch Gebäude, Bäume u. a. m. nicht sehr wahrscheinlich.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Anschluss an das öffentliche Netz auch für die Photovoltaikanlage mit benutzt werden kann.
Auf Grund der o. g. Vorteile ist es sinnvoll, Photovoltaikanlagen mit Nachführung zu installieren. In diesem Fall sollte die Dachfläche ((19odar) – 10) des Oberteils (19o) einen gewissen Anstellwinkel besitzen und drehbar gelagert sein.
Das Oberteil (19o), das aus verschiedensten Gründen mit diversen Verstrebungen und Halterungen versehen sein muss (z. B. Halterungen für die Achslager ((17L) der Rotorachse (17) – 12, Ansicht B), ist zusätzlich mit zwei Halterungen für zwei Achslager (24AL)) der Nachführungsachse (24A) zu versehen. Die Nachführungsachse (24A – 12) ist mit dem Unterteil/Unterseite (19ou) fest verbunden.
An (19ou) des Oberteils ((19o) – 12) ist eine kreisförmige Laufschiene (24LS) befestigt. Die Laufräder (24LR) sind mit dem drehbar gelagerten Oberteil (19odar) verbunden.
Die Laufräder (24LR) im Zusammenspiel mit der Laufschiene (24LS) stabilisieren und positionieren die Unterseite (19ou) der Oberkörpers (19o) mit der drehbaren Dachfläche (19odar) so, dass Reibungen zwischen (19ou) und (19odar) vermieden werden.
Die in 12 skizzierte Ausführung der o. g. Komponenten ((24LS), (24LR) (24A), (24AL), die eine drehbare Lagerung der Dachfläche (19odar) ermöglichen, stellt nur eine von mehreren konstruktiven Varianten dar. Diese Erfindung ist nicht an die konkrete technische Realisierung der in 12 skizzierten Bauteile gebunden und funktioniert auch dann, wenn andere Lösungen genutzt werden.
Anwendungsbeispiele
– Anlagentyp für Privathaushalte
Das folgende Anwendungsbeispiel betrifft eine Installation auf einem Grundstück mit einem eingeschossigen Gebäude. Diese Windkraftanlage soll in etwa 10 m bis 15 m Höhe auf der Tragekonstruktion ((25) 9, – Ansicht B) mit Rundstützen (25m) aufgestellt werden und einen Haushalt mit Strom versorgen (etwa 3 Personen). Bei dieser Installation sollen auf der Dachfläche (19od – siehe Ansicht A – ein flaches Dach ohne Nachführung) Solarelemente angebracht werden.
Für die o. g. Installation sollen folgenden Annahmen gelten. Der Außendurchmesser (d19) soll 6 m, der Lamellendurchmesser außen ((dLRa) 5,5 m und die Höhe (h19) soll 3,50 m betragen. Daraus ergibt sich eine Anströmfläche ((h19·dLRa) von 19,25 m² und eine Erntefläche von 18,29 m². Das sind 95% der Anströmfläche. Ferner wird angenommen, dass diese Windkraftanlage einen Wirkungsgrad von 30% erreicht.
Die mittleren Windgeschwindigkeiten in Deutschland sind regional sehr unterschiedlich, doch bei über 50% der Gesamtfläche Deutschlands kann mit 3,5 m/s (10 m ü. NN) gerechnet werden. Bei den weiteren Berechnungen sollen folgende Annahmen gelten: Es wird eine Windverteilung nach Weibull mit den Parametern k = 2 und A = 4,023 angenommen. Das entspricht einer mittleren Windgeschwindigkeit von 3,5 m/s und den allgemeinen Windverhältnissen in Deutschland.
Bei einem Arbeitsbereich von 3 m/s (Anlauf) bis 16 m/s Sturmabschaltung) und einer mittleren Windgeschwindigkeit von 3,5 m/s liefert diese Windkraftanlage unter den o. g. Voraussetzungen 2.600 kWh im Jahr. Bei 5,5 m/s im Jahresmittel würde diese Anlage rund 7.500 kWh/a liefern. Die Nennleistung dieser Anlage beträgt bei 10 m/s rund 3,4 kW.
Bei der Ermittlung des Jahresertrages der Photovoltaikanlage sollen folgenden Annahmen gelten: 15 m² ergeben 1 kW_PIK und 1 kW_PIK 900 kWh/a (standortabhängig). Die Dachfläche von 19,26 m² kann zu 90% mit Photovoltaik-Elementen (z. B. Folie) belegt werden. Das ergibt eine nutzbare Fläche von rund 18,3 m².
Aus den o. g. Voraussetzungen ergibt das einen Jahresertrag von rund 1000 kWh/a bei einem Durchmesser 6 m und 90%iger Ausnutzung der Dachfläche ((19od) – 9)
Der Gesamtertrag pro Jahr beläuft sich unter den o. g. Annahmen auf 3.600 kWh.
– Anlagentyp für Hochhäuser
Im folgenden Beispiel soll der zu erwartende Jahresertrag für eine Installation auf dem Dach eines Hochhauses (10 Etagen) berechnet werden. Auch bei dieser Installation sollen auf der Dachfläche ((19od) 9 – flaches Dach ohne Nachführung) Solarelemente angebracht werden.
Für die o. g. Installation sollen folgenden Annahmen gelten. Der Außendurchmesser soll 12 m, der Lamellendurchmesser außen ((dLRa) 11 m und die Höhe (h19) soll 4,5 m betragen. Daraus ergibt sich eine Anströmfläche ((h19·dLRa) von 49,5 m² und eine Erntefläche von rund 47 m². Das sind 95% der Anströmfläche. Ferner wird angenommen, dass diese Windkraftanlage einen Wirkungsgrad von 30% erreicht.
Es wird eine Windverteilung nach Weibull mit den Parametern k = 2 und A = 5,78 angenommen. Das entspricht einer mittleren Windgeschwindigkeit von 5 m/s und den allgemeinen Windverhältnissen in Deutschland. Bei einer Höhe von ca. 30 m bis 35 m ü. NN erhöht sich die Windgeschwindigkeit um ca. 1,5 m/s gegenüber 10 m ü. NN)
Bei einem Arbeitsbereich von 3 m/s (Anlauf) bis 16 m/s (Sturmabschaltung) und einer mittleren Windgeschwindigkeit von 5 m/s liefert diese Windkraftanlage unter den o. g. Voraussetzungen rund 19.500 kWh im Jahr. Die Nennleistung dieser Anlage bei 10 m/s beträgt rund 8,6 kW.
Für die Photovoltaikanlage gelten folgenden Annahmen. 15 m² ergeben 1 kW_PIK und 1 kW_PIK 900 kWh/a (standortabhängig).
Unter den o. g. Voraussetzungen ergibt das einen Jahresertrag von rund 2.800 kWh bei einem Durchmesser 12 m und 90%iger Ausnutzung der Dachfläche ((19od) – 9).
Der Gesamtertrag pro Jahr beläuft sich unter den o. g. Voraussetzungen auf 23,100 kWh.
Stand der Technik
Es gibt eine Reihe von Gebrauchsmustern und Patenten wie z. B. EP 1 398 500 A2 , die sich auf Windkraftanlagen mit Leitflächen um den Rotor und mit vertikaler Achse beziehen.
Fast alle dieser Erfindungen mit den o. g. Konstruktionsmerkmalen wie z. B. DE 10 2004 060 230 A1 verlangen eine Windnachführung und sind nicht oder nur zum Teil axialsymmetrisch.
Im Ergebnis einer Recherche wurde lediglich eine Patentschrift EP 1350 952 A1 gesichtet, bei der die Leitflächen kreisförmig um den Rotor angebracht sind.
Sehr vereinfacht dargestellt, wird beim o. g. Patent ( EP 1350 952 A1 ) der Wind durch die kreisförmig angeordneten Leitflächen tangential an einen zylindrischen Körper gelenkt, der an seiner Oberfläche mit schräg angestellten Vertiefungen versehen ist. Der Luftstrom wird durch die Leitflächen in diese Vertiefungen gelenkt. Auf diese Weise wird der zylindrische Rotor mit den o. g. Oberflächenprofil in Drehung versetzt.
Beim o. g. Patent ( EP 1350 952 A1 ) wirken die Leitflächen als Konzentrator. Durch die axialsymmetrische Anordnung kann auf eine Nachführung (z. B. Windfahne) verzichtet werden. Die Drehbewegung des Rotors kommt nur durch den Überdruck an den Vertiefungen der zylindrischen Oberfläche zustande. Andere aerodynamische Effekte (z. B. Unterdruck) sind nicht erkennbar.
Im Gegensatz zum o. g. Patent EP 1 398 500 A2 besitzt diese Erfindung eine Reihe konstruktiver Merkmale, die auf einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistung abzielen, indem die verschiedensten aerodynamischen Effekte miteinander kombiniert werden.
Der Rotorring ((1RR) – 1) dieser Windkraftanlage, bestehend aus Rotorblättern ((1R), (2R) usw.), die ein ähnliches Profil wie eine Tragfläche aufweist, nutzt nicht nur den Überdruck sondern auch den Unterdruck zur Energieumwandlung. Dagegen nutzt der zylindrische Rotor des o. g. Patents ( EP 1 398 500 A2 ) nur den Überdruck nach einem ganz anderen Funktionsprinzip.
Diese Erfindung besitzt im Gegensatz zum o. g. Patent ( EP 1 398 500 A2 ) keine durchgehende Achse sondern eine Achse im Grundkörper ((19g) – 0, Ansicht B) und eine weitere Achse im Oberteil (19o), Diese Zweiteilung bietet den Vorteil, dass der Raum innerhalb des Rotorrings ((1RR) – 0, Ansicht A) leer bleibt und die Luftmassen ungehindert die Rotorblätter auf der Ausströmseite mit den dahinter liegenden Lamellen erreichen. Die verbleibende Windenergie, die von den Rotorblättern auf der Anströmseite nicht umgewandelt wurde, steht für eine weitere Energieumwandlung an den Rotorblättern der Ausströmseite zur Verfügung und bewirkt eine Erhöhung des Wirkungsgrades. Die Luftmassen werden also an zwei Rotorblättern vorbeigeführt, an denen ein Überdruck und Unterdruck zur Energieumwandlung entsteht.
Der axialsymmetrische Rotorring ((1RR) – 1, Ansicht A) dieser Windkraftanlage mit seinem leeren Innenraum bewirkt im Gegensatz zum o. g. Patent ( EP 1350 952 A1 ), dass die Kammern ((1K), (2K), usw.) zwischen den Lamellen ((1L), (2L) usw.) eine Doppelfunktion besitzen. Auf der Anströmseite fungieren diese Kammern ((1K), (2K) usw.) als Konzentrator und auf der Ausströmseite als Diffuser. Beim Patent ( EP 1350 952 A1 ) wirken die Leitflächen nur als Konzentrator.
Ferner unterscheiden sich im Vergleich zum o. g. Patent verschiedene Bauteile wie z. B. der Grundkörper ((19g) und das Oberteil (19o) – 11) in der Formgebung, die aus strömungstechnischen Erwägungen gewählt wurde. Insbesondere werden durch diese Formgebung Strömungsabrisse verhindert.
Die konstruktiven Merkmale und strömungstechnischen Eigenschaften dieser Erfindung unterscheiden sich vom o. g. Patent wesentlich. Die einzige Gemeinsamkeit der beiden vertikalen Windkraftanlagen mit Leitflächen ist, dass die Leitflächen bzw. Lamellen ((1L), (2L), usw.) axialsymmetrisch angeordnet sind.
Im Hauptanspruch 1. des o. g. Patents ( EP 1350 952 A1 ), wird zwar erwähnt, dass die Anlage eine Vielzahl radial ausgerichtete Leitflächen als technisches Detail besitzt. Doch die Funktion dieser Leitflächen beschränkt sich laut Hauptanspruch 1. auf die Umlenkung der Luftströme auf die Rotorschaufeln.
In den Nebenansprüchen 11. und 15. des o. g. Patents ( EP 1350 952 A1 ) wird zwar ein Leitflächengehäuse erwähnt, aber nur im Zusammenhang mit der Funktion anderer Bauteile (z. B. Überdruckklappen, die sich bei starken Sturm öffnen). Der Anspruch 15. steht im Zusammenhang mit einem horizontalen Leitelement mit dem Bezugszeichen (72), das es aber nicht in einer Bezugszeichenliste und auf keiner Figur gibt.
Die Funktion der vertikalen Leitflächen beschränkt sich nach [0210] und [0211] bzw. des o. g. Patents EP 1350 952 A1 auf die Umlenkung des Windes durch die vertikalen Leitflächen auf den Rotor.
Bezugszeichenliste
(1RG) Rotorgehäuse, bestehend aus

• (19o) Oberteil
• (19g) Grundkörper
• (1LR) Lamellenring
• (20) Verstrebung (wahlweise)

(1RR) Rotorring, bestehend aus

• (1R), (2R), (3R) usw. Rotorblatt 1, Rotorblatt 2, Rotorblatt 3 usw.
• (18) Rotorblatthalterung
• ((1RBi), ... (9RBi) usw.) verstellbare Rotorblattbefestigungen innen
• ((1RBa) ... (9RBa) usw.) verstellbare Rotorblattbefestigungen außen

(1LR) Lamellenring

• ((1L), (2L), (3L), usw.) Lamelle 1, Lamelle 2, Lamelle 3, usw.
• ((1LS) ... (9LS), usw.) Lamellenkabelschacht
• ((1LBa) ... (9LBa), usw.) Lamellenbefestigung außen
• ((1LBi) ... (9LBi), usw.) Lamellenbefestigung innen usw. Kammern ((1K), (2K), usw.) sind Zwischenräume zwischen den Lamellen (1L), (2L) usw.) in der Reihenfolge (1L) – (1K) – (2L) – (2K) – (3L) usw. – im Uhrzeigersinn.

(17) Rotorachse mit

• (17L) Achslager

Rotorblatthalterung

• ((1RBi) ... (9RBi), usw.) verstellbare Rotorblattbefestigungen innen
• ((1RBa) ... (9RBa), usw.) verstellbare Rotorblattbefestigungen außen

(19o) Oberteil bzw. Abdeckung

• (19ou) Unterseite des Oberteils (19o) und zugleich obere Begrenzungsfläche des Lamellenrings (1LR)
• (19od) flache Dachfläche des Oberteils (19o)
• (19oda) asymmetrisch geformte Dachfläche zur Installation einer Photovoltaikanlage ohne Nachführung
• (19odar) asymmetrisch geformte und drehbar gelagerte Dachfläche zur Installation einer Photovoltaikanlage mit Nachführung

(19g) Grundkörper unterhalb des Rotorrings (1RR) und des Lamellenrings 1LR)

• (19go) Oberseite des Grundkörpers (19g) und zugleich untere Begrenzungsfläche des Lamellenrings (1LR)
• (19gu) untere Verkleidung des Grundkörpers (19g)

(20) Verstrebung zwischen dem Grundkörper (19g) und Oberteil (19o)
(21) Generator mit Getriebe oder Generator und Getriebe
(22) Tragekonstruktion mit Gittermasten

• (22a) Verankerungselemente
• (22m) mindestens drei Gittermasten
• (22v) Gitterverstrebungen
• (22f) Fundamente

(23) Photovoltaikanlage ohne Nachführung

• (23e) Photovoltaik-Elemente (Folie oder Solarzellen)

(24) Photovoltaikanlage mit Nachführung

• (24e) Photovoltaik-Elemente (Folie oder Solarzellen)
• (24A) Nachführungsachse
• (24AL) Achslager
• (24LR) Laufrollen für die Nachführung
• (24LS) Laufschiene für die Nachführung
• (24S) Servomotor/Motor für die Nachführung
• (24Ü) Übertragung vom Motor zur Achse (25A)

(25) Tragekonstruktion mit Rundstützen

• (25a) Verankerungselemente
• (25m) mindestens drei Rundstützen
• (25v) Rundstreben
• (25f) Fundamente

Abkürzungsverzeichnis
zum Rotorgehäuse (1RG)

h19

Höhe der Anströmung

d19

Durchmesser des Oberteils (19o) und des Grundkörpers (19g)

r19

Radius des Oberteils (19o) und des Grundkörpers (19g)

A₁₉

Anströmfläche als Produkt aus der Höhe (h19) und dem Durchmesser des Lamellenrings außen (dLRa)

zum Lamellenring (1LR)

hLRa

Höhe des Lamellenrings (1LR) außen

hLRi

Höhe des Lamellenrings (1LR) innen

dLRa

Durchmesser des Lamellenrings (1LR) außen

dLRi

Durchmesser des Lamellenrings ((1LR) innen

rLRa

Radius des Lamellenrings (1LR) außen

rLRi

Radius des Lamellenrings (1LR) innen

A_LR

Anströmfläche des Lamellenrings (1LR) als Produkt aus Höhe (hLRa) und (dLRa)

mLR

Mittelpunkt des Lamellenrings (1LR) in der Draufsicht

α_al

Anstellwinkel einer Lamelle ((1L), (2L), usw.)

zum Rotorring (1RR)

hRRa

Höhe des Rotorrings (1RR) außen

hRRi

Höhe des Rotorrings (1RR) innen

dRRa

Durchmesser des Rotorrings (1RR) außen

dRRi

Durchmesser des Rotorrings (1RR) innen

rRRa

Radius des Rotorrings (1RR) außen

rRRi

Radius des Rotorrings (1RR) innen

A_RR

Anströmfläche des Rotorringsrings (1RR)

mRR

Mittelpunkt des Rotorrings (1RR) in der Draufsicht

α_ar

Anstellwinkel eines Rotorblatts ((1R), (2R) usw.)

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

- EP 1398500 A2 [0097, 0102, 0103, 0104]
- DE 102004060230 A1 [0098]
- EP 1350952 A1 [0099, 0100, 0101, 0105, 0105, 0108, 0109, 0110]

Claims

Die axialsymmetrische Windkraftlage mit vertikalen Achsen und Photovoltaik, die im Folgenden als „Windkraftanlage" bezeichnet wird, besteht aus folgenden Hauptkomponenten: • ein Grundkörper (19g), • ein Oberteil (19o), • ein Lamellenring (1LR), • ein Rotorring (1RR) • wahlweise: drei oder mehr Verstrebungen (20) • wahlweise: eine Tragekonstruktion (22) oder (25) mit Fundamenten (22f) oder (25f) • drei oder mehr Verankerungselemente (22a) oder (25a) • wahlweise: eine Photovoltaikanlage (24) mit einer Nachführung oder ohne Nachführung (23) Der Grundkörper (19g) besteht aus • aus einem kugelförmigen oder elliptisch geformten Fläche auf der Oberseite (19go) und • einer glatten oder leicht nach unten gewölbten Fläche (10gu) an der Unterseite Der Grundkörper (19g) enthält • eine Achse (17), • zwei Achslager (17a) mit entsprechenden Achshalterungen, • ein Generator (21), mit Getriebe oder ein Generator (21) und Getriebe • Wechselrichter und elektrisches/elektronisches Zubehör, • drei oder mehr Verankerungselemente (22a) oder 25a) zur Befestigung auf Dächern oder alternativ auf einer Tragekonstruktion (22) oder (25), • diverse Verstrebungen im Grundkörper (19g), die der Stabilisierung der Form dienen, • diverse Verstrebungen innerhalb des Grundkörpers (19g) zur Befestigung der Achslager (17A), des Generators (21), des Wechselrichters u. a. m. • Lamellenbefestigungselemente ((1LBa), (1LBi)), ... ((9LBa) (9LBi)) usw.) • wahlweise Befestigungen für die Verstrebungen (20). Das Oberteil (19o) bestehend aus • einer Dachfläche (19od), die nach oben gewölbt oder flach geformt ist oder • alternativ einer Dachplatte (19oda) oder (19odar), wenn zusätzlich eine Photovoltaikanlage installiert werden soll, • eine kugelförmige oder elliptisch geformte Unterseite (19ou) mit Lamellenbefestigungselementen ((1LBa), (1LBi)), ... ((9LBa), (9LBi)) usw.) für die Lamellen ((1L), (2L) usw.). Das Oberteil (19) enthält • eine Achse (17) mit zwei Achslagern (17L) und entsprechenden Halterungen. • Verstrebungen, die der Stabilität und Formerhaltung dienen, • wahlweise Befestigungen für die Verstrebungen (20) • wahlweise: Zubehör für eine Photovoltaikanlage. Der Lamellenring (1LR) bestehend aus • Lamellen ((1L), (2L) usw.) die an der Unterseite (19ou) der Oberteils (19o) und an der Oberseite (19go) des Grundkörpers (19g) befestigt sind und • Lamellenbefestigungselemente ((1LBa), (1LBi)), ... ((9LBa), (9LBi)) usw.) Der Rotorring (1RR) besteht aus • Rotorblättern ((1R), (2R) usw.) und • zwei Rotorblatthalterungen (18), die mit den Aschen (17) fest verbunden sind. Die zusätzlich verwendbaren Verstrebungen (20) können als Kabelschacht genutzt werden, falls eine Photovoltaikanlage installiert werden soll. Alternativ dazu können ausgewählte Lamellenkabelschächte (1LS) ... (9LS) usw.) der Lamellen ((1L), (2L) usw.) des Lamellenrings (1LR) als Kabelschacht genutzt werden. Diese Windkraftanlage kann auf einer Tragekonstruktion (22), (25) oder einer anderen Befestigungseinheit installiert werden. Für diese Varianten besitzt diese Windkraftanlage mindestens an drei Stellen Verankerungselemente (22a) oder (25a). am Grundkörper (19g) zur Befestigung des Rotorgehäuses (1RG). Diese Windkraftanlage ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie einen axialsymmetrischen Lamellenring (1LR) besitzt, der eine Windnachführung überflüssig macht. Diese Windkraftanlage ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie einen axialsymmetrischen Rotorring (1RR) besitzt, der an der Ober- und Unterseite an zwei Achsen befestigt ist, so dass sich im Zentrum des Rotorrings (1RR) keine Achse als Strömungshindernis befindet. Diese Windkraftanlage ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern ((1K), (2K), usw.) zwischen zwei Lamellen ((1L), (2L) usw.) des Lamellenrings (1LR) eine Doppelfunktion besitzen, indem sie auf der Anströmseite als Konzentrator und auf der Ausströmseite als Diffuser fungieren. Diese Windkraftanlage ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der Rotorblatthalterungen (18) und der oberen und unteren Begrenzungsfläche ((19ou) und (19go) der Lamellen ((1L), (2L) usw.) von außen nach innen bis zum Mittelpunkt hin eine zunehmende Verkleinerung des Strömungsquerschnitts bewirkt. Diese Windkraftanlage ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die durchströmenden Luftmassen zweimal an Rotorblättern vorbeiführen und die ausgeübten Kräfte an allen Rotorblättern in die gleiche Drehrichtung wirken. Diese Windkraftanlage ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kombination der o. g. konstruktiven Merkmale ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird und die nicht notwendige Windnachführung eine Ertragsoptimierung über die Zeitachse bewirkt. Diese Windkraftanlage ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass auf der Dachfläche (19od) oder (19oda) eine Photovoltaikanlage ohne Nachführung und auf der Dachfläche (19odar) eine Photovoltaikanlage mit Nachführung installiert werden kann.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der senkrecht stehende axialsymmetrische Rotorring (1RR) von einem senkrecht angeordneten axialsymmetrischen Lamellenring (1LR) so umgeben ist, dass eine Windnachführung nicht notwendig ist und diese Windkraftanlage auch bei häufigen Windrichtungsänderungen optimal angeströmt wird.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der inneren Begrenzungsflächen (19ou) und (19go) des Oberteils (19o) und des Grundkörpers (19g) einen Strömungsabriss an der Anströmseite in den Kammern ((1K), (2k) usw.) bei starken Auf- und Abwinden weitgehend verhindert.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 2. und Anspruch 3 ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie optimal auf wechselnde Windrichtungsänderungen in horizontaler und vertikaler Richtung reagiert und Verluste durch Strömungsabrisse und Fehlstellungen einer Windausrichtung weitgehend vermeidet.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 3. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittverkleinerung durch die Formgebung der Rotorblatthalterungen (18) an den oberen und unteren Enden der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) im Bereich der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) bis zum Mittelpunkt fortsetzt und so eine hohe Windgeschwindigkeit an den angeströmten Rotorblättern ((1R), (2R) usw.) erzielt wird.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass durch die Formgebung und Positionierung der Lamellen ((1L), (2L) usw.) des Lamellenrings (1LR) möglichst viele Kammern ((1K), (2K) usw.) optimal angeströmt werden.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 6. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die gegenläufigen Rotorblätter ((1R), (2R) usw.), die sich entgegen der Windrichtung bewegen, abgeschirmt werden und keinem Gegendruck ausgesetzt sind.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 6. und Anspruch 7. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sich durch die Lamellen ((1L), (2L) usw.) des feststehenden Lamellenrings (1LR) die Anströmfläche (Produkt aus Außendurchmesser des Lamellenrings (1LR) und Höhe des Lamellenrings (1LR) außen) im Vergleich zu den Außenabmessungen des Rotorrings (1RR) deutlich vergrößert.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 6. bis Anspruch 8. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anzahl, Formgebung und Positionierung der Lamellen ((1L), (2L) usw.) die Anströmfläche (Produkt aus Außendurchmesser des feststehenden Lamellenrings (1LR) und Höhe des Lamellenrings (1LR) außen) zu mehr als 90 Prozent als Erntefläche genutzt wird.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 6. bis Anspruch 9. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Anström- und Erntefläche durch den größeren Durchmesser des Grundkörpers (19g) und des Oberteils (19o) gegenüber dem Außendurchmesser des Lamellenrings (1LR) zusätzlich vergrößert wird.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 6. bis Anspruch 10. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anström- und auch die Erntefläche durch den feststehenden Lamellenring (1LR), den feststehenden Grundkörper ((19g) und dem feststehenden Oberteil (19o) im Verhältnis zum beweglichen Rotorring (1RR) sehr stark vergrößert.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern ((1K), (2K) usw.) des axialsymmetrischen Lamellenrings (1LR) in Verbindung mit der Formgebung der Begrenzungsflächen (19ou) des Oberteils (19o) und (19go) des Grundkörpers (19g) Strömungskanäle bilden, die auf der Anströmseite als Konzentrator und auf der Ausströmseite als Diffuser fungieren.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 12. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die durchströmenden Luftmassen die Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) des Rotorrings (1RR) zweimal passieren und die verbleibende kinetische Restenergie bei der zweiten Passage teilweise zur Umwandlung in Rotationsenergie genutzt wird.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die seitlich vorbeiströmenden Luftmassen in der Nähe der quer zur Windrichtung befindlichen Kammern (((1K), (2K) usw.) einen Unterdruck aufweisen, der sich positiv auf das gesamte Strömungsverhalten auswirkt. Ist der Unterdruck an den betreffenden Kammern außen deutlich größer als innen, bewirkt dies eine Durchströmung dieser Kammern von innen nach außen mit positiven Effekten (z. B. Magnuseffekt). Ist der Unterdruck auf der Innenseite dieser Kammern deutlich größer, kommt es zwar zu einer Strömung von außen nach innen, doch reduziert sich diese Strömung durch den Unterdruck außen und vermeidet so größere Verwirbelungen im Innenraum des Rotorrings (1RR).
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) des Rotorrings (1RR) ähnlich einer Tragfläche geformt ist und bei Anströmung auf einer Seite Überdruck und auf der anderen Seite Unterdruck entsteht.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 15. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) des Rotorrings (1RR) im Querschnitt so geformt sind, dass ein Überdruck und Unterdruck auch dann entsteht, wenn sie aus entgegengesetzten Richtungen angeströmt werden.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 15. und Anspruch 16. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der variierbare Anstellwinkel der Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) des Rotorrings (1RR) bei der Montage dieser Windkraftanlage in Abhängigkeit von der mittleren Windgeschwindigkeit eines Standortes optimal eingestellt werden kann.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 15. bis Anspruch 17. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenbau des Rotorrings (1RR) auch am Installationsort erfolgen kann und die Möglichkeit besteht, geeignete Rotorblätter ((1R), (2R) usw.) mit solchen Profilen und Abmessungen zu verwenden, die den Windverhältnissen am Standort am Besten entsprechen.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 18 ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der variierbare Anstellwinkel der Lamellen ((1L), (2L) usw.) des Lamellenrings (1LR) bei der Montage dieser Windkraftanlage in Abhängigkeit von der mittleren Windgeschwindigkeit eines Standortes optimal eingestellt werden kann.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 18. bis Anspruch 19. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Windverhältnisse und sonstige Standortbedingungen unterschiedliche Typen und Größen dieser Windkraftanlage konstruierbar und produzierbar sind, wobei für große Windkraftanlagen auch die Anzahl der Lamellen ((1L), (2l) usw.) und Rotorblätter (((1R), (2R) usw.) erhöht und für kleinere Anlagen reduzierbar sind.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 18. bis Anspruch 20. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die größeren Komponenten wie z. B. der Rotorring (1RR) und der Lamellenring (1LR) am Installationsort (z. B. auf dem Dach eines Hochhauses) zusammensetzbar und konfigurierbar sind.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (19g) mit dem Oberteil (19o) durch die dazwischen liegenden Lamellen ((1L), (2L) usw.) des Lamellenrings (1LR) fest verbunden sind, wobei eine zusätzliche Verbindung und Stabilisierung durch drei oder mehr Verstrebungen (20) wahlweise installierbar ist.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 22. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass auch eine Verstrebung (20) mit Kabelschacht zweckmäßig ist, wenn auf der Dachfläche (19od) (19oda) (19odar) des Oberteils (19o) eine Photovoltaikanlage (23) oder (24) zu installieren ist.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. Anspruch 22. und Anspruch 23. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Lamellen ((1L), (2L) usw.) des Lamellenrings (1LR) einen Lamellenkabelschacht ((1LS) ... oder (9LS) usw.)) besitzt, wenn eine Photovoltaikanlage (23) oder (24) auf der Dachfläche (19od) (19oda) oder (19odar) des Oberteils (19o) installiert werden soll und keine Verstrebungen (20) vorgesehen sind.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass auf der Dachfläche (19od) oder (19oda – asymmetrisch) eine Photovoltaikanlage (23) ohne Nachführung oder auf der asymmetrisch geformten und drehbaren Dachfläche (19odar) eine Photovoltaikanlage (24) mit Nachführung installierbar ist.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 25. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Dachfläche (19od) glatt oder leicht nach oben gewölbt ist, wenn keine oder eine Photovoltaikanlage (23) ohne Nachführung installiert ist.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1., Anspruch 25. und Anspruch 26. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass eine asymmetrisch gewölbte und drehbar gelagerte Dachfläche (19odar) zum Einsatz kommt, wenn eine Photovoltaikanlage (24) mit Nachführung installiert werden soll.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie auf Dächern von Hochhäusern, über den Baumkronen von Wäldern, in urbanen und anderen Gebieten sowie privaten Grundstücken installierbar ist.
Diese Windkraftanlage nach Anspruch 1. und Anspruch 28. ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass bei allen Installationen (außer auf Dächern) die Tragekonstruktionen (22) mit Gittermasten (22m) oder die Tragekonstruktionen (25) mit Rundstützen (25m) verwendbar sind, die aus mindestens drei Masten (22m) oder (25m), diversen Verstrebungen (22V), Verankerungselementen (22a) und Fundamenten (22f) bestehen,