-
Die Erfindung betrifft ein Windkraftwerk, bestehend aus mehreren autonom arbeitenden Windkraftanlagen, zur direkten Nutzung der kinetischen Energie des Windes unabhängig von der jeweils vorherrschenden Windrichtung. Die Nutzung dieser Energieform mit Hilfe von Windmühlen ist seit langem bekannt. Zur Erzeugung elektrischer Energie werden vor allem Anlagen mit horizontal ausgerichteter Rotorachse, die im Wesentlichen parallel zur Hauptwindrichtung verläuft, eingesetzt. Dabei ist die theoretisch maximale nutzbare Leistung auf 59,3% der im Wind enthaltenen kinetischen Energie begrenzt. Derartige Windkraftanlagen mit ihren zur Rotorachse radial ausgerichteten Flügen benötigen schon infolge der zur Erzielung großer Leistungen sehr großen Flügellängen eine erhebliche Bauhöhe sowie einen beträchtlichen Bauraum. Da sich weiterhin die maximal abgegebene Leistung mit zunehmender Windgeschwindigkeit in dem Bereich höherer Drehzahlen der Rotorflügel bewegt, treten infolge der großen, drehend sich bewegenden Massen und der dabei wirkenden Zentrifugalkräfte rasch Stabilitäts- und Materialprobleme auf, die den Investitionsaufwand für Windenergieanlagen mit Horizontalrotoren beträchtlich erhöhen. So beträgt beispielsweise die Masse der Rotorblätter einer der größten Offshore-Windkraftanlagen von etwa 100 m Höhe und 6 MW elektrischer Leistung zusammen mit der Nabe etwa 100 Tonnen, welche zudem in beträchtlicher Höhe bewegt werden muss. Bei konventionellen Anlagen sind also bereits den Möglichkeiten für eine weitere Leistungssteigerung allein durch Vergrößerung der wirksamen Rotorflächen sowie der Erhöhung der Rotordrehzahlen enge Grenzen gesetzt. Darüber hinaus wird solchen Anlagen wegen der Beeinträchtigung des Landschaftsbildes und infolge der Schallentwicklung vielfach mit Ablehnung begegnet.
-
Die ebenfalls seit langem zum Einsatz gelangten Windkraftkonverter nach der Bauart von Widerstandsläufern verwenden Rotoren, bei denen die Rotorachse im Wesentlichen vertikal zur Ebene der Hauptwindrichtung steht. Eine Bauart dieser Vertikalachsenkonverter oder Windturbinen wird beispielsweise in
WO 81/00436 beschrieben, bei welcher der Wind durch die miteinander verbundenen Schaufelblätter eines in senkrechter Stellung angeordneten Rotors nach dem Prinzip eine Wasserrades aufgefangen und der Rotor in Drehung versetzt wird. Die Luftströmung wird den Rotorblätter mittels sich geradlinig erstreckenden Führungsplatten zugeleitet, welche den Rotor in zueinander gleich bleibenden Abständen umgeben. Der Wind tritt, nachdem er die Rotorschaufeln angetrieben hat durch den Rotorinnenraum aus dem Gehäuse aus. Da der Rotor ohne Durchströmung arbeitet, ist die Effektivität der Anlage nur gering.
-
Eine ähnliche Windkraftanlage wird auch in
DE 3129660 offenbart, bei der ein Rotor von einem Stator umgeben ist, der eine Vielzahl gleich beabstandeter Statorblätter aufweist, welche Kanäle aufweisen, die sich zum Rotor hin verjüngen und den Windstrom auf die Rotorblätter leiten. Auch hierbei wird die Windkraft in zu geringe Masse ausgenutzt.
-
Windkraftanlagen mit Durchströmungsrotoren, deren Anströmung mit dem Rotor vorgesetzten Windführungselementen gesteuert wird und die auf einem Mast montiert sind, beschreiben unter anderem die Dokumente
DE 8804674 und
DE 19957141 .
-
Allerdings unterliegen diese Anlagen in ihren Verwendungsmöglichkeiten starken Einschränkungen und sind für eine zufrieden stellende wirtschaftliche Nutzung kaum geeignet. So ist mit den aus den bekannten Lösungsvorschlägen für Windkraftanlagen und den daraus ersichtlichen Konstruktionen für Windleitelemente sowie der Anordnung und Formgebung der Rotoren und Rotorblätter eine zuverlässige und effektive Energiegewinnung nur dann zu erwarten, wenn einschränkende Betriebsbedingungen, insbesondere auch Hinblick auf die zum Betrieb der Anlage erforderlichen Windverhältnisse eingehalten werden können. Vielfach verhindern jedoch allein schon die ungünstigen Positionierungen der Windeinleitflächen eine optimale Energieausnutzung, so dass häufig die Nutzung der Anlage bei geringer Windgeschwindigkeit nicht mehr möglich ist. Als besonders nachteilig hinsichtlich des Betriebes und der Wartung derartiger Anlagen erweist sich häufig auch deren zu komplizierte Konstruktion, insbesondere von deren beweglichen Teilen.
-
Eine Erfindung „Windkraftanlage” mit der Reg. Nr. 102010 035 178.4 wurde vom Einreicher des Gebrauchsmusters Dipl.Ing.Ferenc Szatmári eingereicht und daher stellt die Erfindung „Windkraftanlage” eine Basismodel dar. Das Gebrauchsmuster „Windkraftwerk” ist eine Weiterentwicklung, deshalb wird die Funktion der Windkraftanlage nicht noch mal im einzelnen dargestellt.
-
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Windkraftwerk bestehend aus mehreren autonom arbeitender Windkraftanlagen, die einzelnen Windkraftanlagen mit Hohlkörpervertikalrotor aerodynamisch geformte sechs Vertikalrotorschaufeln und Windeinleitflächen-Konstruktion zu schaffen, die sich durch einen hohen Nutzungsgrad der jeweils zu Verfügung stehenden Windenergie auszeichnet und zugleich einen einfachen und kompakten sowie sehr stabilen Gesamtaufbau, vor allem des Windeinleitsystems aufweist. Für die Aufnahme der Seitenkräfte eine umfangreiche begehbare, befahrbare Halterangs- und Stabilisierungsystem zu schaffen so dass die Nutzung der kinetischen Energie des Windes dabei nicht gemindert wird.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in mehreren Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
die 1 von oben eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemässen aerodynamisch geformten Hohlkörperrotorschaufeln mit Auftriebsflügel,
-
die 2 von oben eine schematische Schnittansicht die Anlage mit vorgeschaltetem Windleitsystem zur Windeinleitung mit geöffneten Windklappensystem, und Halterungs- und Stabilisierungskonstruktion.
-
die 3 die Anlage bei vollständig unterbrochener Windzuführung,
-
die 4 eine Seitenteilansicht der vertikale Ausführungsform des Windkraftwerks, bestehend aus mehreren Windkraftanlagen,
-
die 5 die Anordnung der vertikalen Windkraftanlagen und horizontale Windkraftanlagen
in schematischer Frontansicht (aus der Windrichtung),
-
die 6 eine Anordnung der vertikalen Windkraftanlagen und horizontale Windkraftanlagen in schematischer Seitenansicht (90 Grad z. Windrichtung),
-
die 7 die Anordnung der horizontale Windkraftanlagen mit geöffneten Windklappensystem in Seitenansicht (90 Grad zu Windrichtung),
-
die 8 eine Anordnung der horizontale Windkraftanlagen mit geschlossenen Windklappensystem in Seitenansicht (90 Grad zu Windrichtung).
-
Die 1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine Ausführungsform für eine Hohlkörpervertikalrotor 2 mit aerodynamisch geformten sechs Rotorschaufeln 1 auf einer Drehwelle 8 und mit einem aerodynamischen Auftriebsflügel 4 für die Sogwirkungserzeugung als wesentlichen Elementen der erfindungsgemässen Windkraftanlage. Der aerodynamisch geformte Hohlkörperrotor besitzt sechs Rotorschaufeln 1, die in radialer Ausrichtung geformt und an der Drehwelle 8 befestigt sind. Dabei sind die aerodynamische Rotorschaufeln 1 so konzipiert, dass diese im Wesentlichen die Druckkraft des Windes zur Energiegewinnung nutzen und in die Drehrichtung 3 einen geringen Luftwiderstand aufweisen. Der Luftdurchströmungsquerschnitt ist durch den Hohlkörpervertikalrotorschafelabstandslänge vorgegeben, der Luftdruckseitige Schaufellänge ist die Hälfte des Durchmesserradius.
-
Im Rotorgehäuser sind mehrere Arbeitswege vorhanden. Die Länge eines Arbeitsweges ist durch die Abstände der Hohlkörpervertikalrotorschafeln bestimmt. Im Rotorgehäuser ist der Primärarbeitsweg, wenn der Rotorschaufel durch den Luftdruck 7 zwischen den Punkten 6 und 5 gedrückt wird. Der Sogarbeitsweg erstreckt sich vom Punkt 5 bis Auftriebsflügelende. Der Sog wird durch das auftreffen der Luftmasse auf die Auftriebsflügel erzeugt. Der Druckentspannungszone beginnt am Aufriebsflügelenden und endet nach einer Rotorschaufelabstandslänge. Der Leerlaufzone beginnt eine Rotorschaufelabstandslänge vor der sekundären Winddurchtrittsöffnung und endet an der sekundären Winddurchtrittsöffnung. Der sekundäre Arbeitsweg beginnt am Ende die sekundäre Winddurchtrittsöffnung und endet am Anfang der primären Winddurchtrittsöffnung
-
Fig. 2
-
Der aerodynamischer Hohlkörpervertikalrotor 9 mit seiner senkrecht zur Hauptwindrichtung 14 orientierten Drehwelle ist in dem im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten und an seinen vertikalen Enden verschlossen gehaltenem Teil des Rotorgehäuses zentrisch angeordnet. Dieser Gehäuseteil besitzt eine primäre Winddurchtrittsöffnung und eine sekundäre Winddurchtrittsöffnung, sowie eine Strömungsaustrittsöffnung an der primären Winddurchtrittsöffnung gegenüberliegende Seite und ist so ausgelegt, dass der Winddruck möglichst lange auf die Rotorschaufeln wirken kann. Beide Öffnungen erstrecken sich über nahezu die gesamte Rotorhöhe, unterscheiden sich darin, dass die Strömungsaustrittsöffnung (Druckentspannungszone) in ihrem Abstand zu den Rotorschaufelnenden, vergrößert ist.
-
Dem zylindrischen Teil des Rotorgehäuses ist ein horizontales Windleitsystem 6, 7, 15 mit seinen Windkanälen 14 zur Strömungslenkung auf aerodynamischen Hohlkörpervertikalrotor 9 vorgeschaltet. Die Windkanäle werden durch vertikale Seitenwände sowie durch zueinander parallele Boden- und Deckwände gebildet. Der sich in Strömungsrichtung trichterförmig verengende Windkanäle mit ihrer von den Aussenkanten der Seitenwände begrenzten Windeintrittsöffnung ermöglicht eine weitgehende Ausnutzung der vorhandenen Windenergie. Mit seiner großflächigen Windeintrittsöffnung erfasst er nicht nur die Windleistung des jeweils vorherrschenden Windes in optimaler Weise und konzentriert diese gezielt auf die Rotorschaufeln, sondern erhöht wegen seines in Richtung Winddurchtrittsöffnung geringer werdenden Strömungsquerschnittes zusätzlich die Geschwindigkeit der Luftströmung und damit auch die Umlaufgeschwindigkeit des aerodynamischen Hohlkörpervertikalrotors 9. Die aerodynamisch geformten Hohlkörperrotorschaufeln 9 weisen in die Drehrichtung einen verringerten Luftwiderstand auf
-
Die in das Rotorgehäuse umgelenkte Windströmung gelangt nach Passieren der Winddurchtrittsöffnungen auf die Rotorschaufeln und versetzt damit den Vertikalrotor mit der Drehwelle in entsprechende Rotation. Mit einer im Strömungsweg von der Winddurchtrittsöffnung angeordneten Primärluftdrosselklappe 8 lässt sich der Strömungsquerschnitt und damit die Menge der zum aerodynamischen Hohlkörpervertikalrotor 9 transportierten Windluft in einfacher Weise regulieren. Die Windklappensysteme 6, 10, 15 sind Sekundärregelungsklappen und können ganz verschlossen werden. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen ist parallel zum Rotorgehäuser einer Windeinfangeinrichtung mit einer Windklappe 15 untergebracht. Der Windeinfangeinrichtung leitet den Wind 14 über den Auftriebsflügel 11 und der aufgestaute Wind kann am Windaustritts 16 ins freie entweichen. Eine weitere Einrichtung zur Wirkungsgraderhöhung ist der Windeinfang- und Leiteinrichtung 6 um den Luftdruck auf die aerodynamischen Hohlkörpervertikalrotorschaufeln zu leiten. Der Wind 14 wird so umgelenkt, dass der Wind durch die Windeintrittsöffnung 13 strömt und im Wind enthaltene kinetische Energie auf die Oberfläche der aerodynamisch geformten Hohlraumkörperrotorschaufelder 9 trifft. Die erbrachte Leistung wird als Sekundärleistung bezeichnet.
-
Die Leistungsabnahme erfolgt über einen hier nicht dargestellten elektrischen Generator, der an einem Ende der gemeinsamen Drehwelle des Vertikalrotors in kraftschlüssiger Verbindung steht. Nach der Energieabgabe auf die Rotorschaufeln tritt die Windströmung durch die Strömungsaustrittsöffnung 16 aus dem Rotorgehäuse aus.
-
Das Windeinfang- und Leitsystem 6, 8, 15 mit den Windeintrittsöffnungen 14 bestimmen den maximal erfassbaren Windeinfangsbereich. Es ist zusammen mit dem Rotorgehäuse um die vertikale Drehachse über 360 Grad drehbar und kann bei seiner Drehung in den Wind und bei vollständig geöffneter windseitiger Regelungsklappe 10 einen Winkelbereich beiderseits der Hauptwindrichtug von insgesamt etwa 90 Grad erfassen und die dabei einfangende Windluft auf die Rotorschaufeln konzentrieren.
-
Die Regelungsklappe 8, 10 regelt dabei die in die Windkraftanlage einströmende Hauptluftmenge und ist dazu – im Wesentlichen dem Querschnitt der Windeintrittsöffnung 14 angepasst und eine Drehachse schwenkbar – an der vertikalen Seitenwand des Rotorgehäuses befestigt. Über die Regelung der Öffnung des Windleitsystems 6, 10, 15 wird aber auch die von der Anlage abgegebene Leistung eingeregelt. Damit der im Gehäuseinneren aufgebaute Winddruck nicht wieder nach außen wirkungslos entweichen kann, besitzt die Luftregelungsklappensysteme 6, 10, 15, jeweils ein Decken- und ein Bodenteil. Die Regelung der einströmenden Luftmenge durch das Windleitsystem 6, 10, 15 dient, abgesehen von der damit beabsichtigten Einregelung der von der Anlage abgegeben Leistung, auch der Anpassung an jeweils vorherrschende Windverhältnisse. Somit lässt sich erreichen, dass die Anlage unter allen Windsituationen zuverlässig arbeiten kann und zum Beispiel bei Starkwinden nicht außer Betrieb gestellt werden muss, vielmehr diese Bedingungen zur Energiegewinnung voll ausnutzen kann.
-
Die vertikal aufeinander gestellten mehreren Windkraftanlagen, sind gegen der auftretender Seitenkräfte mit eine Halterungs- und Stabilisierungssystem standfest gemacht. Die Halterungs- und Stabilisierungssytem besteht im wesentlichen aus sechs Halterungssäulen 3, horizontale Stabilisierungsring 1 in mehreren Etagen, Halterungsfahrschine 2, Abstandshalterungen 4, der keilförmige Gehäuserteil 7 und die Windklappensysteme 6, 10, 15 sind ebenfalls an den Halterungsfahrschine fahrbar verankert. In einer Halterungssäule 5 befindet sich ein Lastenaufzugsschacht.
-
Die 2 zeigt die Stellung des Windleitsystemse 6, 7, 15 im voll geöffneten Zustand. Dabei beaufschlägt die gesamte Frontalströmung das Windleitsystem und wird bei voll geöffneter Regelungsklappen 6, 10, 15 den Wind 14 durch die trichterförmigen Windkanäle auf die Rotorschaufeln 9 gelenkt, die somit eine volle Leistung erbringen können. Das Windklappensystem sowie das von der Seitenwand 10 zusammen mit der Windleitfläche gebildete keilförmige Gehäuseteil grenzen dabei mit ihren einander zugewandten horizontalen Aussenkanten von Decken- und Bodenteilen fluchtend aneinander. Der Windkanal 14 wird somit windeintrittseitig im Wesentlichen durch die sich über die gesamte Höhe des Rotorraumes erstreckende vertikale Seitenwand 10 sowie die zu ihr fluchtende Regelungsklappe, die dazu angewinkelten Decken- und Bodenteile und sowie die Windleitfläche festgelegt.
-
In der Klappenstellung nach 3 wird die Windzufuhr auf die aerodynamischen Hohlkörperrotorschaufeln vollständig unterbunden. Der keilförmige Gehäuserteil 7 ist gegen die Hauptwindrichtung gedreht und dabei ist die Luftregelungsklappe 10 gegen die windseitigen Aussenkanten des Rotorgehäuses angelegt. Ein noch verbleibender restlicher Strömungsweg wird durch die Primärluftdrosselklappe 8 verschlossen. Die Luftregelungsklappen 6, 15 sind bündig zu Rotorgehäuser geschlossen und die Luft kann an den Außenwänden der Luftregelungsklappen, ungehindert vorbei strömen 14. Bei dieser Klappenstellung wird die Luftzufuhr auf die Rotorschaufeln 9 unterbrochen und die Rotorleistung gegen Null gefahren. Diesen Betriebszustand wird man dann wählen, wenn die Anlage wegen zu geringen Leistungsbedarfs, bei Wartungsarbeiten oder zu extremen Windgeschwindigkeiten außer Betrieb ist.
-
Die 2 3 zeigen in einer Draufsicht in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Lösung eines Windkraftwerks, die von in einem Kreis angeordneten Halterungssäulen 3 stabil gestützt wird. Mit der im Gehäuseteil zentrisch auf einer Drehwelle befestigten Rotoranordnung lässt sich eine solche Anlage diese zusammen mit dem ihrem vorgeschalteten Windleitsystem entsprechend der jeweiligen Hauptwindrichtung bis um 360 Grad drehen. Die Halterungssäulen 3 sind ringförmig, unterteilt nach mehreren Etagen, miteinander verbunden. Eine Etagehöhe ergibt sich aus der Höhe einer Windkraftanlage. Zu jeder Etage, kann mittels eines Lastenaufzugs 5 gelangen und über die Servicegänge können alle drehenden Teile zur Wartungszwecke erreicht werden. Die ringförmigen horizontalen Halterungen 1 sind von außen nach innen in keilförmigen Form verbreitet. Die horizontalen ringförmigen Halterungen 1 sind auf der Innenseite offen. In der offenen Seite befinden sich die Halterungsschine 2, Stromabnehmerschinen und der Servicegang. Jeder Etage der horizontalen ringförmigen Halterungen 1, können über einer Lastenaufzug 5 erreicht werden.
-
Die 4 zeigt eine Teilseitenansicht der Ausfürungsform des Windkraftwerks mit mehreren Windkraftanlagen in vertikale Bauweise. Auf ein Säulenplattform 1 ist ein Drehgestell 2 mit Rädern. Auf dem Drehgestell 2 befindet sich zentrisch das Rotorengehäuser 10 welche mit Verlängerung der Windeinfang- und Windleitsystem 9 sowie der Halterungen 4, die an den Halterungsschine 6 verankert sind. Die Halterungssäulen 5 sind in der Bauform von der Außenseite in Richtung Innenseite, eine lang gezogene Rechteck. Somit dienen die Halterungssäulen 5 als fixe Windeinfangflächen. Die vertikalen Stabilisierungsringe 8 sind von der Außenseite zu Innenseite so verbreitet, dass über den Servicegang 7 der Generator im freien Gang 3 erreicht werden kann.
-
Die 5 zeigt die Anordnung der vertikalen Windkraftanlagen und horizontalen Windkraftanlagen zu einem Windkraftwerk zusammengebaut, in schematische Frontansicht (aus der Windrichtung). Am oberen Ende der Halterungs- und Stabilisierungssystems 1,2 und der vertikalen Windkraftanlagen 3 ist ein Stabilisierungsplattform 4 mit Fahrschinen 5. Die Windkraftanlagen 7, 8 sind in Reihe und übereinander angeordnet und werden immer gegen der Windrichtung mittels der fahrbare Untergestell 6 gedreht.
-
Die 6 zeigt die Anordnung der vertikalen und horizontalen Windkraftanlagen zum Windkraftwerk zusammengebaut, in schematisches Seitenansicht (90 Grad zu Windrichtung).
-
Die 7 zeigt die Anordnung in Seitenansicht der horizontalen Windkraftanlagen in Reihen, übereinander gestellt zum Windkraftwerk, mit geöffneten Windklappensystem 4, 5, 6, 7, auf ein fahrbaren Untergestell mit Rädern 2 und ein darunter befindliche Plattform 1.
-
Die 8 zeigt die Anordnung in Seitenansicht der horizontalen Windkraftanlagen in Reihen, übereinander gestellt zum Windkraftwerk, mit geschlossenem Windklappensystem 4, 5, 6, 7.
-
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
-
- WO 81/00436 [0002]
- DE 3129660 [0003]
- DE 8804674 [0004]
- DE 19957141 [0004]
