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Die Erfindung bezieht sich auf alternative Energiequellen und zwar auf kombinierte Energiequellen, die Wind- und Sonnenenergie zur Stromerzeugung benutzen.
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Durch das Patent
US 7 214 029 , 2007 r. [1] ist die Konstruktion einer Windanlage bekannt, die es ermöglicht, elektrischen Strom mittels Windenergie zu gewinnen. Diese Konstruktion einer strömungsdynamischen Turbine erlaubt es, die kinetische Windenergie in ein Drehmoment an der Welle eines Stromerzeugers umzusetzen, um den elektrischen Strom hocheffektiv zu erzeugen. Dies wird mit dem Einsatz eines axialen Mehrschaufelrads mit waagerechter Drehachse erreicht. Das Flügelrad ist senkrecht hinter dem unbeweglichen Leitapparat montiert. Die strömungsdynamische Turbine wird an einem Luftschiffkörper angebracht. Der Luftschiffkörper wird auf eine bestimmte Höhe gehoben, in der Luftmengen mit höheren Geschwindigkeiten wandern. Das Flügelrad wird betätigt und gedreht. Dabei wird der elektrische Strom auf bekannte Weise erzeugt. Der Luftschiffkörper mit Windanlage [1] sollte am Wind ausgerichtet sein, um eine axiale Umströmung der strömungsdynamischen Turbine waagerecht zur Gestaltung der Stromerzeugung sicherzustellen. Der erzeugte, elektrische Strom wird über elektrische Kabel an die Erde weitergeleitet und unter Verbrauchern verteilt.
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Das Problem und der Hauptmangel dieser bekannten Windanlage besteht darin, dass die Konstruktion des gefesselten Luftschiffs bei Sturmwindgeschwindigkeiten (über 30 m/s) zerstört oder von den Halterungen abgerissen werden kann. Um eine Zerstörung zu vermeiden, wird deshalb das Luftschiff mit Seilen gefesselt und an der Erde befestigt, obwohl bekannt ist, dass die erzeugte, elektrische Energie am Flügelrad bei Erhöhung der Windgeschwindigkeit wesentlich zunimmt.
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Ein weiteres Problem ist, dass eventuelle Niederschläge, wie Regen, Schnee, Hagel und Vereisung, den Betrieb solcher Windkraftanlage wesentlich erschweren oder gar unmöglich machen [1].
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Ein weiteres Problem ist, dass, wenn die Windanlage [1] nicht windwärts aufgestellt ist, d. h., wenn der Wind die Windanlage [1] an der Rückseite oder seitlich beansprucht, oder auch wenn es keinen Wind gibt, die Stromerzeugung unmöglich ist.
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Durch das Patent
RU 2101556 , 1996 [2] ist eine Konstruktion einer Windanlage bekannt, die die genannten Mängel teilweise beseitigt und als Prototyp betrachtet wird.
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Ein axiales Flügelrad mit waagerechter Drehachse wird in der Windkraftanlage mit Druck- und Saugwirkung [2] waagerecht im Strömungsteil eines Saugrohrkörpers angeordnet. Das Flügelrad ist mit einer Stromerzeugerwelle gekoppelt und erzeugt während seiner Drehung elektrischen Strom. Die Luftströmung wird aus dem unteren Teil des Saugrohrs in den oberen Teil verlagert. Im oberen Teil der Windanlage wird ein Vorsatz in Form eines Raumzylinders angebaut, um die Luft abzuführen.
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Der ziemlich lange Strömungsteil des Saugrohrs, der zylinderförmige Raumvorsatz, eine große Anzahl von Leitflächen und bewegliche Vorhänge, die sich im Windaufnehmer bewegen, verursachen beachtliche, aerodynamische Verluste. Diese verlangsamen die Luftbewegung. Das vermindert sowohl die Luftströmungsgeschwindigkeit in Bezug auf das Flügelrad als auch dementsprechend die elektrische Stromerzeugung.
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Die beweglichen Außen- und Innenvorhänge der Leitflächen des Windaufnehmers werden am Umfang im unteren Teil der Windanlage [2] angeordnet. Es sei bemerkt, dass diese Vorhänge je nach Windrichtung in eine Seite oder die andere Seite verschoben werden müssen, um den Lufteintritt ins Saugrohr sicherzustellen und die Luftableitung mittels Regel- und Sicherheitsventilen des oben angebrachten Zylindervorsatzes zu regeln.
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Die zur Ausrichtung der Windanlage [2] in Bezug auf den Wind benötigten, mehreren, beweglichen Bauteile senken die Zuverlässigkeit, erschweren den Betrieb und erhöhen gleichzeitig den Metallaufwand und die gesamten Selbstkosten der Konstruktion.
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Bei ungünstigen Wetterbedingungen (Hagel, Schnee) kann der zylinderförmige Vorsatz die Luft aus dem Saugrohr nicht mehr ableiten. Das liegt daran, dass der Schnee sich auf der Oberfläche des Vorsatzes sammelt und die Luftkanäle zur Ableitung der Luft aus dem Strömungsteil dadurch absperren wird. Er wird auch die Konstruktion der Windanlage [2] belasten. Aus diesem Grund wird die Stromerzeugung herabgesetzt oder gar eingestellt. Bei fehlendem Wind wird die Stromerzeugung aufhören.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung einer kombinierten Windanlage („AeroGreen”), die die Wind- und Sonnenenergie in elektrischen Strom sowohl bei minimalen Windgeschwindigkeiten als auch bei orkanartigen Höchstwinden umsetzen kann. Diese Windanlage ist auch in der Lage, den elektrischen Strom unabhängig von ungünstigen Wetterbedingungen (Regen mit Schnee, Hagel, Sturm) sowie bei vollständig fehlendem Wind zu erzeugen.
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Um diese Aufgaben zu lösen, ist die Konstruktion der kombinierten Windanlage („AeroGreen”) symmetrisch ausgebildet. Sie ermöglicht, die Bewegungsgeschwindigkeit der Luftströmung in Bezug auf das Flügelrad bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten unabhängig von der Windrichtung zu erhöhen oder zu vermindern. Die kombinierte Windanlage ermöglicht es, die Luftmengenbewegung zum Flügelrad zu regeln. Somit wird die Stromerzeugung bei hohen Sturmwindgeschwindigkeiten, bei minimalen Windgeschwindigkeiten sowie bei fehlendem Wind sichergestellt, wobei die in der Konstruktion von „AeroGreen” eingebauten Solarzellen verwendet werden.
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Zu diesem Zweck werden das axiale Mehrschaufelrad (Flügelrad) und ein unbeweglicher Leitapparat im Körper der kombinierten Windanlage auf der senkrechten Achse befestigt. Dabei ist über dem Körper der kombinierten Windanlage ein oberes Luftleitblech in Form eines runden, scheibenförmigen Bauteils an längenverstellbaren Stützen aufgebaut. Das obere Luftleitblech kann einen Abstand zum drehbaren Mehrschaufelrad und des darauf befestigten, kugelrunden Luftleitblechs aufweisen. Während der Windeinwirkung wird am oberen Luftleitblech ein Unterdruck erzeugt. Dadurch wird eine gerichtete Luftbewegung vom unteren Teil des Körpers der Windanlage (vor dem Flügelrad) in den Unterdruckbereich, d. h. in den oberen Körperteil (hinter dem Flügelrad), unabhängig von der Windrichtung sichergestellt. Ein kugelrundes Luftleitblech dreht sich unter der Windwirkung mit dem Flügelrad zusammen. Dabei entsteht zusätzlicher Unterdruck am kugelrunden Luftleitblech wegen des Magnuseffekts. Das trägt zur Geschwindigkeitszunahme der vom unteren Körperteil des Flügelrads hereinströmenden Luft bei.
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Das auf verstellbaren Stützen angebrachte, obere Luftleitblech kann seinen Abstand zum drehbaren Flügelrad verändern und die Betriebsarten des Stromerzeugers regeln, wobei der Querschnitt der Luftmengen beim Ausströmen aus der Flügelradebene verändert wird.
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Das axiale Mehrschaufelrad mit waagerechter Drehachse ist in der Windkraftanlage horizontal gemäß seiner Drehebene eingebaut. Vor dem Flügelrad ist ein unbeweglicher Leitapparat (Düsenapparat) befestigt. Er ist in Form eines nichtdrehbaren Mehrschaufelrads ausgebildet. Seine Schaufeln bilden einen optimalen und konstanten Winkel für die Luftströmung vor den Schaufeln des drehbaren Flügelrads.
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Das Mehrschaufelrad und der Leitapparat sind in einem ringförmigen Luftleitblech eingebaut. Der Querschnitt des Luftleitblechs weist ein Strömungsprofil (Flügelprofil) auf, um die ungünstige Einwirkung von Witterungsverhältnissen zu vermeiden und den Lärmpegel beim Betrieb des Flügelrads zu vermindern.
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Das ringförmige Luftleitblech stellt die Beschleunigung von Luftmengen sowohl vor dem Leitapparat als auch hinter dem Flügelrad unabhängig von der Windrichtung sicher.
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Um die Stromerzeugung anhand der erneuerbaren Energien bei fehlendem Wind zu erreichen, ist die Oberfläche der Windkraftanlage mit Solarabsorptionszellen beschichtet, um die Sonnenenergie in elektrischen Strom umzusetzen und sie in einer elektrischen Batterie der Windanlage zu speichern.
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Die Erfindung wird ausführlich an einem Beispiel beschrieben und von entsprechenden Zeichnungen begleitet. Es zeigen:
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1 eine Gesamtseitenansicht der kombinierten Windanlage „AeroGreen” in der Arbeitsstellung, wobei sich das obere Luftleitblech in der oberen Endstellung befindet,
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2 eine Seitenansicht der kombinierten Windanlage „AeroGreen” im Schnitt,
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3 ein Grundschaltbild für die Anordnung der Solarzellen auf der Konstruktion der kombinierten Windanlage „AeroGreen”,
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4 ein Übersichtsschema der Luftbewegung bei laufendem Flügelrad in der Seitenansicht, wobei sich das obere Luftleitblech in der oberen Endstellung befindet,
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5 ein Übersichtsschema der Luftbewegung bei laufendem Flügelrad in der Draufsicht, wobei sich das obere Luftleitblech in der oberen Endstellung befindet,
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6 ein Übersichtsschema der Luftbewegung bei nicht laufendem Flügelrad in der Seitenansicht, wobei sich das obere Luftleitblech in der unteren Endstellung befindet,
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7 ein Übersichtsschema der Luftbewegung bei nicht laufendem Flügelrad in der Draufsicht, wobei sich das obere Luftleitblech in der unteren Endstellung befindet, und
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8 eine Gesamtseitenansicht der kombinierten Windanlage „AeroGreen” bei nicht laufendem Flügelrad, wobei sich das obere Luftleitblech in der unteren Endstellung befindet.
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Die kombinierte Windanlage „AeroGreen” besteht aus einem Körper 1, der sich von oben nach unten verengt. Der Körper 1 ist auf einem dämpfenden Unterbau 2 aufgestellt. Am Körper 1 sind als Rippen wirkende Seitenflächen 3 senkrecht befestigt. Zusammen mit dem konvergierenden Körper 1 dienen sie als offener Strömungsteil für die anströmende Luft. Seitenflächen 3 im oberen Teil des Körpers 1 sind gegen ein ringförmiges Luftleitblech 4 gelegt. An längenverstellbaren Stützen 5 (Teleskopstützen) des Luftleitblechs 4 ist ein oberes, scheibenförmiges Luftleitblech 6 befestigt. An der Innenseite des ringförmigen Luftleitblechs 4 ist ein unbeweglicher Leitapparat 7 (Düsenapparat) auf dem Körper 1 starr befestigt. Unmittelbar über dem Leitapparat 7 ist ein axiales Mehrschaufelrad 8 befestigt. Es wird horizontal aufgestellt und mit einem Stromerzeuger 9 verbunden. Der Stromerzeuger 9 ist elektrisch mit einem Akkumulator 10 verbunden. Auf dem Flügelrad 8 ist ein kugelrundes Luftleitblech 11 befestigt, das sich zusammen mit dem Flügelrad 8 dreht.
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Ist Wind vorhanden, so strömen die Luftmengen unabhängig von der Windrichtung über den konvergierenden Grundkörper 1 an den Seitenflächen 3 (senkrechten Rippen) entlang bis zu den unbeweglichen Schaufeln 7 des Leitapparats hinauf. In den Leitschaufeln 7 erreicht der Luftstrom den optimalen Winkel und strömt unter diesem Winkel über die Schaufeln des Mehrschaufelrads 8. Somit werden Luftströmungskräfte erzeugt, die im Drehsinn des Flügelrads 8 ausgerichtet sind.
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Das Flügelrad 8 ist mit dem Stromerzeuger 9 gekoppelt. Der Stromerzeuger 9 erzeugt beim Drehen elektrischen Strom und speichert diesen im Akku 10 für die nachfolgende Übertragung zum Verbraucher. Wenn der Wind auf die Außenfläche des ringförmigen Luftleitblechs 4 einwirkt, wird der Luftstrom sowohl auf die unbeweglichen Schaufeln des Leitapparats 7 als auch in den Unterdruckbereich verlagert, der infolge des Magnuseffekts beim Drehen des kugelrunden Luftleitblechs 11 des Flügelrads 8 (4) entsteht. Nach dem Durchströmen der Flügelradebene 8 strömen die Luftmengen in den Unterdruckbereich. Der Unterdruck entsteht auf dem oberen, scheibenförmigen Luftleitblech 6, wenn der Wind es gemäß der N. E. Zhukovsky-Theorie (s. S. 48–49 [3]) beansprucht.
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Die Außenflächen des oberen, scheibenförmigen Luftleitblechs 6, des ringförmigen Luftleitblechs 4, der Seitenflächen 3 und des Körpers 1 sind mit Solarabsorptionszellen beschichtet. Die Solarabsorptionszellen stellen die elektrische Stromerzeugung durch Sonneneinstrahlung unabhängig von der Windgeschwindigkeit oder auch bei vollständig fehlendem Wind sicher (3).
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Bei eventuellen Niederschlägen, wie z. B. Regen, Schneeregen oder Hagel, sorgen das obere Luftleitblech 6 und das ringförmige Luftleitblech 4 für den Schutz und den zuverlässigen Betrieb der kombinierten Windanlage „AeroGreen”.
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In Not- und Sonderfällen kann der Betrieb der kombinierten Windanlage „AeroGreen” sofort gestoppt werden, indem der Austritt der Luftmassen durch das obere Luftleitblech 6 abgesperrt wird und indem die Länge der verstellbaren Stützen 5 verkürzt wird (6–8). In diesem Fall wird nicht nur der zuverlässige Schutz der Windkraftanlage „AeroGreen” gegen ungünstige Wetterbedingungen und Umweltverhältnisse (Orkan, Sturm usw.) sichergestellt, sondern auch die Möglichkeit der elektrischen Stromerzeugung und -übertragung zum Verbraucher auch nur bei vorhandener Sonneneinstrahlung aufrechterhalten.
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Die Anwendung der kombinierten Windanlage gemäß der Erfindung ermöglicht es, den elektrischen Strom sogar bei äußerst ungünstigen Wetterverhältnissen zu erzeugen, wobei erneuerbare Energiequellen eingesetzt werden.
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Der technische Effekt besteht in einer beachtlichen Erhöhung der Zuverlässigkeit und Unabhängigkeit beim Betrieb der kombinierten Windanlage „AeroGreen” sowie in der erhöhten elektrischen Stromausbeute aufgrund der Vergrößerung des Leistungsbeiwerts.
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Diese Erfindung kann verschiedene Anwendungen sowohl in der Energiewirtschaft als auch im Transportwesen finden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7214029 [0002]
- RU 2101556 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- N. E. Zhukovsky-Theorie (s. S. 48–49 [3]) [0031]
