DE202010009981U1 - Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie (III) - Google Patents

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Abstract

Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windkraft mit einem auf einem Dach montierten Windrad, welches einen elektrischen Generator antreibt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Windrad oberhalb der Dachabdeckung angeordnet ist und
dass das Windrad als Radialrotor (22) ausgebildet ist, wobei die Rotorblätter (40) die Form von Flugzeugflügeln haben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Erfindungsgemäß soll eine besonders effektive Ausnutzung der über Hausdächer strömenden Windenergie erreicht werden. Dazu werden erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei denen die Windrotoren sich nicht schneller als die Windgeschwindigkeit drehen können, findet erfindungsgemäß eine Verdichtung der Windströmung statt, so dass die Rotoren auch erheblich schneller als die Windgeschwindigkeit rotieren. Ferner ist die dem Wind ausgesetzte Nutzfläche für die Drehung der Rotoren in der gewünschten Richtung erheblich größer als die schädliche Fläche der Rotoren, die einem Winddruck in der unerwünschten Richtung ausgesetzt sind. Da die Rotoren entsprechend Flugzeugflügeln gebaut sind, entsteht nicht nur eine Druckwirkung, sondern auch eine Sogwirkung des Windes, welche die relativ kleine schädliche Druckkraft auf den Flügeln ausgleicht. Auf diese Weise wird die Masse des Windes und nicht nur die Geschwindigkeit des Windes ausgenutzt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und eines entsprechenden Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
  • Die Vorteile des ”Rooftop Generator” mit eigener Strom- und Wasserstofferzeugung vom Dach sind:
    • • Energiebeschaffung durch Ausnutzung der Windenergie ohne die Landschaft zu verunstalten
    • • Dachwindanlage, die unterhalb des Dachfirstes gebaut wird und somit eine nahezu durchgehende Energiegewinnung zur Folge hat
    • • Durch Elektrolyse kann zusätzlich Wasserstoff gewonnen werden, um Autos anzutreiben
    • • Die Windkraftanlage ist relativ leicht beherrschbar und wird durch den Handwerker in kurzer Zeit eingebaut und mit geringem Aufwand gewartet
    • • Dieser Rooftop Generator ist bisher bekannten Systemen durch seinen Aufbau und seine Position weit überlegen, da der Wind an den Seiten und auf dem Dach deutlich schneller ist, eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit führt zum achtfachen Ertrag
    • • Einspeisung ins Netz möglich
  • Der Entwicklung liegt das Problem zugrunde, eine Energiegewinnung zu schaffen, die die Windenergie ausnutzt, ohne die Landschaft zu verunstalten. Eine Lösung wird dadurch erreicht, dass eine Dachwindanlage, die vorzugsweise entlang und unterhalb des Dachfirstes montiert wird, mit dem Wind eine nahezu durchgehende Energiegewinnung bereitstellt. Diese gewonnene Energie kann für die Directtech-Global-Wärmesysteme als Vollheizsystem eingesetzt werden. Im ganzen Jahr ist ausreichend Energie für die Warmwasseraufbereitung und Raumklimatisierung vorhanden.
  • Durch Elektrolyse kann auch Wasserstoff aus Wasser, um ein Auto anzutreiben, gewonnen werden. Die Windkraftanlage ist von Handwerkern leicht beherrschbar und ist in kurzer Zeit eingebaut. Der nachträgliche Einbau der Dachwindkraftanlage ist in jedem Neigungsdach möglich.
  • Diese Entwicklung in dem Sektor der Windenergie ist allen anderen bisherigen bekannten Systemen durch seinen spezifischen Aufbau überlegen, obwohl das Energiepotenzial auf den Dächern schon bekannt ist.
  • An der technischen Uni in Delft haben Wissenschaftler ebenfalls Windströmungen an Hochhäusern im Computer simuliert und Erstaunliches festgestellt: Der Wind wird an den Kanten des Hauses beschleunigt. Das heißt: An den Seiten und auf dem Dach ist der Wind deutlich schneller als vor dem Haus und eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit etwa führt zu einem achtfachen Energieertrag.
  • Jetzt haben sie einen Prototypen eines kleinen Rotors entwickelt, mit dem sie das bisher brachliegende Potential der Hochhäuser nutzen wollen. Der aufrecht stehende Rotor versorgt zwar nur eine vierköpfige Familie mit Strom, aber auf jedem Hochhausdach können mehrere Rotoren montiert werden. Die Wissenschaftler sind überzeugt: Diese Rotoren können – mitten in der Stadt – riesige Mengen Strom erzeugen (siehe auch die 1 und 2 und deren Beschreibung weiter unten).
  • Wirkungsweise:
  • Die Entwicklung bezieht sich auf eine Windkraftanlage zur Energiegewinnung und Einbau auf einen Dachfirst. Auf der windzugewandten Seite des Daches entsteht bei Wind ein Überdruck und auf der windabgewendeten Seite des Daches entsteht bei Wind ein Unterdruck. Zwischen den beiden Dachseiten und damit innerhalb des Rotors findet ein Druckausgleich statt.
  • Bei diesem Druckausgleich ist die Luftbewegung im Windkanal schneller als der momentane Wind und die erhöhte Luftbewegung kann zur Energiegewinnung herangezogen werden.
  • Mit den bisher vorhandenen Entwicklungen zur Ausnutzung der Windenergie ist die Montage von Windkraftanlagen wegen zu hoher Investitionen, Geräuschbelästigung und oder Geländeverunstaltung nur erschwerend möglich.
  • Diese Entwicklung begünstigt die erwähnten Merkmale durch die Ausnutzung der Dachwindenergie.
  • Die Windkraftanlage wird vorzugsweise auf das vorhandene Dach montiert und die hierfür notwendigen Investitionen fließen in kürzester Zeit zurück.
  • Erreichte Vorteile:
    • – autarkes System zur Heizenergieversorgung ohne irgendeine Nutzung von fossilen Brennstoffen
    • – durch den spezifischen Ausbau konstante Windausnutzung möglich, auch bei Windstärken kleiner 2
  • Der nachträgliche Einbau der Dachwindkraftanlage ist auf jedes Neigungsdach möglich. Es begünstigt die dezentrale Energieversorgung und kann bei entsprechenden Umrichter die Überschussenergie in das Versorgungsnetz einspeisen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Entwicklung wird anhand der 7 beschrieben und zeigt den Seitenschnitt des Daches und des Windrades.
  • Durch die Dachoberfläche wird der Wind auf der gesamten Dachfläche gesammelt und durch den Gegendruck des Daches verdichtet. Dabei erhöht sich die Dichte der Luftmasse.
  • Der Wind strömt der Dachneigung entsprechend zum Dachfirst.
  • Von der Gaube wird die Windströmung in den Rotor umgelenkt. Durch den Unterdruck, der sich auf der windabgewendeten Seite des Daches aufbaut, der dichteren Luftmasse und der Luftströmung des Windes, erhöht sich die Energieausnutzung im Vergleich zum momentanen Wind.
  • Nutzung der Windenergie:
  • Die wichtigste Bezugsgröße für die Abschätzung des nutzbaren Windenergieangebotes ist die Windgeschwindigkeit am Aufstellungsort. Diese ist maßgeblich vom Aufstellungsort bzw. Geländeform, Bebauungsart, Bewuchs und Aufstellungshöhe abhängig.
  • Energie im Wind: Windgeschwindigkeit hoch drei
  • Die Windgeschwindigkeit ist extrem wichtig in bezug auf die Energie, die eine Windkraftanlage in Elektrizität umwandeln kann: der Energiegehalt des Windes steigt kubisch mit der mittleren Windgeschwindigkeit. Wenn sich z. B. die Windgeschwindigkeit verdoppelt, steigt der Energiegehalt um das Achtfache (23 = 2 × 2 × 2 = 8).
  • Warum aber steigt die Energie mit der dritten Potenz? Aus der Alltagserfahrung ist vielleicht bekannt, daß man für ein Auto, welches mit doppelter Geschwindigkeit fährt, viermal soviel Bremsenergie braucht, um es zum Stillstand zu bringen (was nichts anderes ist als das Newton'sche Gesetz).
  • Im Fall der Windkraftanlage verwenden wir die Energie aus der Bremsung des Windes, und wenn wir die Windgeschwindigkeit verdoppeln, bekommen wir pro Sekunde doppelt soviel ”Windscheiben” durch den Rotor. Jede dieser Scheiben enthält viermal soviel Energie, wie wir im Beispiel mit dem gebremsten Auto erwähnt haben.
  • Die Grafik (3) zeigt, daß wir bei einer Windgeschwindigkeit von 8 Metern pro Sekunde ein Leistungspotential bei Rotoren (Energie pro Sekunde) von 314 Watt pro Quadratmeter windexponierter Fläche erhalten (der Wind trifft senkrecht auf die Rotorfläche). Bei 16 m/s bekommen wir das Achtfache, das sind 2509 W/m2.
  • Formel für die Leistung im Wind
  • Die Leistung des Windes, der gerade durch eine kreisförmige Fläche bläst, beträgt P = 1/2ρv3πr2
  • Dabei bezeichnet P die Windleistung gemessen in W (Watt).
    • ρ
    = (rho) = Dichte der trockenen Luft = 1,225 kg/m3 (Kilogramm pro Kubikmeter, bei einem durchschnittlichen Luftdruck auf Meereshöhe bei 15°C). Durch die Dachoberfläche wird der Wind auf der ges. Fläche gesammelt und durch den Gegendruck des Daches verdichtet. Dabei erhöht sich die Dichte auf ca. 2,5 kg/m3
    v
    = Windgeschwindigkeit in m/s (Meter pro Sekunde). (Siehe den Teil Unterschiedliche Windgeschwindigkeit)
    π
    = (pi) = 3,1415926535
    r
    = Radius (d. h. der halbe Durchmesser) des Rotors in m (Meter).
    η
    = Ges. Wirkungsgrad der Windanlage
  • Die in 1 dargestellte Anlage würde die folgende Menge an Strom produzieren:
    In einem Gebiet mit einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 5,5 m/s (siehe Wind Zone 2), ist die Luftgeschwindigkeit durch das Dach verdoppelt und im Dachfirst nochmals potenziert.
  • Bei 16 m/s und einer Luftdichte der trockenen Luft von 1,225 kg/m3 bekommen wir 2509 W/m2 an Energie.
  • Durch die Dachoberfläche wird der Wind auf der gesamten Fläche gesammelt und durch den Gegendruck des Daches verdichtet. Dabei erhöht sich die Dichte auf ca. 2,5 kg/m3, dies entspricht 5118 W/m2 an Energie pro Sekunde.
  • Die Fläche des Rotorblattes beträgt 1,5 m2 P = 2509 W/m2 × 60 × 1,5 × 0,6 = 135.4 kW pro Stunde
  • Unterschiedliche Windgeschwindigkeit
  • An der technischen Uni in Delft haben Wissenschaftler ebenfalls Windströmungen an Hochhäusern im Computer simuliert und Erstaunliches festgestellt: Der Wind wird an den Kanten des Hauses beschleunigt. Das heißt: An den Seiten und auf dem Dach ist der Wind deutlich schneller als vor dem Haus und eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit etwa führt zu einem achtfachen Energieertrag.
  • Jetzt haben sie einen Prototypen eines kleinen Rotors entwickelt, mit dem sie das bisher brachliegende Potential der Hochhäuser nutzen wollen. Der aufrecht stehende Rotor versorgt zwar nur eine vierköpfige Familie mit Strom, aber auf jedem Hochhausdach können mehrere Rotoren montiert werden. Die Wissenschaftler sind überzeugt: Diese Rotoren können – mitten in der Stadt – riesige Mengen Strom erzeugen.
  • Modellcharakter
  • Das Besondere an diesem System ist die Möglichkeit ein autarkes System zur Erstellung der eigenen Heizenergie und der Warmwasseraufbereitung herzustellen, dass durch seinen spezifischen Aufbau stabil das ganze Jahr über verteilt, genug Energie produziert, um diesen Zweck zu erfüllen.
  • Umweltentlastung
    • – Eine Umweltentlastung wird durch das Überflüssigwerden von fossilen Brennstoffen mit CO2-Ausstoß in der Heizungsbranche erreicht werden.
    • – Durch die Elektrolyse werden Alternativen zur Benzinherstellung geschaffen.
  • zu 5:
  • Die Rotorblätter werden so fixiert, dass die Tragflächen parallel zur Längsachse stehen und tangential zur Wellenoberfläche. Durch diese Neigung (90° zum Radius und zur Achse) bekommen wir die maximale Windbremsfläche und das maximale Drehmoment auf der Achse. Weil die ganze Kraft des Windes nur unterhalb der Achse aufdrückt, kann eine hohe Verdichtung vorgenommen werden. Diese führt zu einer Verbesserung der gesamten Leistung der Anlage. Bei anderen Modellen wäre dies nicht möglich (siehe 7).
  • Weiter zu 5:
  • Wir beobachten hier den Staudruck d auf die Rotorblätter bei Stillstand. Der Druck auf Rotorblatt V1 ist kleiner als der Druck auf Rotorblätter V7 und V8. F1 < F2, daher dreht das Rad (siehe Prinzip des Druckluftmotors).
  • 5a: Winddruck bei Rotation
  • Wenn die Turbine dreht, strömt die Luft (Pfeil 38) über die Fläche A. Unter dem Rotorblatt V1 wird ein Unterdruck 48 entstehen (Prinzip eines Flugzeugflügels), der die schädliche senkrechte Kraft F1 (schraffierter Pfeil) (nur bei Stillstand) beinahe eliminiert. Die hauptsächlich genutzte Kraft F2 ist in 5 ebenfalls durch einen schraffierten Pfeil dargestellt.
  • Zu 5b:
  • Der maximale Unterdruck 42 entsteht, wenn die Tragfläche A senkrecht (90°) zur Wellentangente steht.
  • Zu 6
  • Längen bis zu 12 Metern sind ohne große oder aufwändige Engineeringprobleme möglich.
  • Zu 7 (Stand der Technik):
  • Wir beobachten auch hier den Windruck auf die Rotorblätter bei Stillstand. d1 und d2 ist Winddruck mit exakt der gleichen Potenz, S1 und S2 ist Windsog mit exakt der gleichen Potenz. Wir sehen hier, dass keine hohe Verdichtung vorgenommen werden kann! Die Drehrichtung ist nur durch die Windgeschwindigkeit vorgegeben.
  • Das erfindungsgemäße Prinzip: Besser eine große unsichtbare Fläche senkrecht zum Winddruck als eine filigrane Fläche auf der Wiese (übliche hohe Windräder).
  • Der Aufbau des Radial Wheel, die Anordnung und Geometrie der Schaufeln sind in 8 dargestellt.
  • Der Durchmesser der Welle ist proportional zu dem Durchmesser des Rotors und wird durch die Geometrie eines gleichschenkligen Dreiecks vorgegeben. Dieses verleiht optimale Stabilität mit einem Minimum an Gewicht. Andere Vorteile sind: Maximale Kraft F2 und maximales Drehmoment auf der Achse durch Kraft F2, eine senkrechte Tragfläche (F8) und Tragfläche (F7) 45° zur Windrichtung. Der Winddruck an der Traufe von Hochhausdächern kann durch Tragflächen in die erfindungsgemäße Windturbine gelangen. Diese kann dekorativ gestaltet werden. Selbst an der Ecke von Hochhäusern, wo zwischen städtischen Hochhäusern viel Windenergie verloren geht, kann eine interessante Gestaltung vorgenommen werden.
  • Wichtig ist außerdem der Einlasstrichter zum Verdichten der Luft und damit zum Erzeugen eines Überdrucks sowie die Abdichtung der Schaufeln gegenüber der Innenseite des Gehäuses. Wie bereits aus der 8 hervorgeht, ist es auch wesentlich, dass die jeweils äußeren Enden der Schaufeln und die inneren Enden auf einer Verbindungslinie liegen, die die Seiten des dargestellten gleichschenkligen Dreiecks bilden, welches tangential an dem inneren Kreis anliegt. Die Krümmung der Schaufeln dient dazu, die Fläche zu vergrößern, an der der Winddruck angreift. Wesentlich in der Erfindung ist, dass mit Staudruck ähnlich wie bei einem Druckluftmotor gearbeitet wird. Vor den Flügeln baut sich also ein Überdruck auf. Wegen der Abdichtung kann die einströmende Luft nicht um die Schaufeln herum strömen, wie es im Stand der Technik der Fall ist. Ein Sog entsteht daher nicht hinter den Flügeln. Auf diese Weise wird eine erheblich bessere Ausnutzung der Windenergie erreicht.
  • Die erfindungsgemäße Windturbine nutzt das Prinzip der einfachsten Linearmotoren, bei denen ebenfalls die Kraft F1 in Rückwärtsrichtung kleiner ist als die Kraft F2 in Vorwärtsrichtung (vgl. 5). Ein Beispiel ist ein Druckluftmotor nach dem Schieberprinzip. Die einfachsten Linearmotoren sind Druckluftzylinder, in denen ein Kolben durch die einströmende Druckluft verschoben wird. Diese Kolbenbewegung und damit die Energie wird durch eine Kolbenstange nach außen hin übertragen. Eine Abwandlung mit der Bezeichnung ”oszillierender Linearmotor” kommt in vielen Druckluftwerkzeugen zum Einsatz.
  • Oszillierende Linearmotoren führen während ihres Betriebs eine selbsttätige hin- und hergehende Bewegung aus, deren Frequenz durch die Bauart des Motors und die durchströmende Luftmenge ganz genau auf den jeweiligen Werkzeugtyp angepasst werden kann. Typisches Anwendungsgebiet von oszillierenden Linearmotoren sind Presslufthämmer, Niethämmer und pneumatische Meißel.
  • Die maximale Windbremsfläche wird durch ein Oktogon vorgegeben (siehe 9).
  • 11 zeigt die Seitenansicht am Dachfirst mit der erfindungsgemäßen Windturbine.
  • 12 zeigt die Vorderansicht auf das Dach und
  • 13 den entsprechenden zugeordneten Querschnitt.
  • 4:
    • 24
    Dachkonstruktion
    25
    abgekantetes Stahlblech
    26
    Stahllasche
    27
    Aussteifung
    28
    Dachpfanne
    29
    Tragfläche
    30
    Pfeil: Dortmund: Windrichtung SW, Windgeschwindigkeit zwischen 4 und 5 m/s, Jahresdurchschnitt 75%
    31
    Gitterrost
    32
    Winddruck (Pfeil)
    33
    Achse
    34
    Tragfläche
    35
    Verstärkungsprofil
    36
    Windsog (Pfeil)
    37
    Pfeil: Windrichtung ONO, Geschwindigkeit zwischen 4 und 5 m/s, Jahresdurchschnitt 25%
    45
    untere Dichtfläche
    46
    obere Dichtfläche
  • 5:
    • 38
    Winddruck (Pfeil)
    39
    Tragfläche
    40
    Rotorblatt
    41
    Rotor der Radialturbine
    42
    Windsog
    43
    Winddruck
  • 5a:
    • 48
    Unterdruck
  • 8:
    • 47
    Drehrichtung

Claims (8)

  1. Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windkraft mit einem auf einem Dach montierten Windrad, welches einen elektrischen Generator antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Windrad oberhalb der Dachabdeckung angeordnet ist und dass das Windrad als Radialrotor (22) ausgebildet ist, wobei die Rotorblätter (40) die Form von Flugzeugflügeln haben.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter nicht radial, sondern schräg zum Radius angeordnet sind und insbesondere derart, dass die Windströmung senkrecht auf die Rotorblätter auftrifft.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor und unterhalb des Radialrotors (22) sowie in der Hauptwindrichtung eine Tragfläche (29) zur Lenkung des einströmenden Windes auf die Rotorblätter vorgesehen ist.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass entgegen der Hauptwindrichtung und oberhalb des Radialrotors eine obere Tragfläche (34) vorgesehen ist.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine flächige Abdichtung, insbesondere ein abgekantetes Stahlblech (25) im Bodenbereich und unterhalb des Radialrotors vorgesehen ist, um das Durchströmen des Windes von unten zu verhindern.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der unteren Tragfläche sowie an der oberen Tragfläche Dichtflächen (45, 46) vorgesehen sind, an welchen die Enden der Rotorblätter vorbeilaufen, so dass der Einströmbereich des Windes vom Ausströmbereich des Windes abgedichtet ist.
  7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anlasstrichter vorgesehen ist.
  8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Rotorblätter an der Innenseite des Gehäuses dichtend anliegen.
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