DE202014000512U1

DE202014000512U1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE202014000512U1
Application number: DE202014000512.5U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2024-01-21

Abstract

Windkraftanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Wind, enthaltend (a) Mittel zur Befestigung auf einem Dach eines Gebäudes, und (b) einen, an einen Generator anschließbaren Rotor mit horizontaler Drehachse dadurch gekennzeichnet, dass (c) der Rotor im Bereich der Dachkante angeordnet ist, und (d) strömungsleitende Mittel vorgesehen sind, mit denen Strömung, die auf eine Gebäudeseite trifft, auf den Rotor konzentrierbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Wind, enthaltend

(a) Mittel zur Befestigung auf einem Dach eines Gebäudes, und
(b) einen, an einen Generator anschließbaren Rotor mit horizontaler Drehachse.

Stand der Technik
Die bekannten großen Windkraftanlagen sind zur Erzeugung von elektrischen Strom in der Nähe von bewohnten Gebieten sehr ungeeignet, da sie konstante hohe Windgeschwindigkeiten benötigen, was weite freie Flächen voraussetzt. Auch die Akzeptanz der von den Anlagen betroffenen Bevölkerung, ist eher gering.
Kleinwindkraftanlagen sind unauffälliger und somit auch in bewohnten Regionen einsetzbar. Diese Anlagen bestehen in der Regel aus einem Masten und einem Rotor am Ende des Maste. Es gibt viele verschiedene Rotorformen. Diese Anlagen entnehmen dem Wind, der durch den Rotor strömt, Energie. Dabei bestimmt die durchströmte Fläche die Leistung, die von der Anlage erzeugt werden kann.
Bei der Montage auf Dächern sind die Anlagen gut sichtbar. Dabei können die drehenden Rotoren und deren Schatten als störend empfunden werden und auch optisch sind diese Anlagen nicht ansprechend. Die Masten führen zu großen Drehmomenten die Gebäude aufnehmen müssen, was zu statischen Problemen führen kann.
Für die Erzeugung von elektrischem Strom auf Dächern ist es demnach sinnvoll mit gekapselten Rotoren zu arbeiten, da somit über Leitbleche die Anströmung des Rotors verbessert werden kann, was zu einer Steigerung des Wirkungsgrades führt und die Anlagen besser optische Eigenschaften bekommen.
Zur Optimierung der Anströmung von Rotoren gibt es mehrere Möglichkeiten. WO 2011/035415 A1 beschreibt einen Konzentrator mit optimaler Strömungsführung zu mehreren kleineren Rotoren. DE 10307240 A1 beschriebt ebenfalls eine Strömungsführung durch Leitbleche auf einen Rotor, der hierbei als Windwalze (eine sehr einfache Rotorform) ausgeprägt ist. In DE 202010015381 U1 wird eine Kombination aus Leitblech und Rotor für den Dachfirst beschrieben. Bei diesen Konzepten wird versucht den Wirkungsgrad von Rotoren zu steigern.
DE 4034272 A1 beschreibt den Einsatz von Windleitsystem für große Anlagen die in Küstennähe zum Einsatz kommen.
Nachteilig bei diesen Anordnungen ist es, dass sie nicht optimal an die herrschenden Strömungen auf Dächern angepasst sind. Auch starke Umleitung der Strömung führt zu Verringerung des Wirkungsgrades.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Ausbeute des Windes an Dächern erreicht um ihn effizient nutzbar zu machen und eine hohe Wirtschaftlichkeit zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Rotor im Bereich der Dachkante angeordnet ist und strömungsleitende Mittel vorgesehen sind, mit denen die Strömung, die auf eine Seite eines Gebäudes trifft, auf den Rotor konzentrierbar ist.
Die strömungsleitenden Mittel umfassen einen Konzentrator und einen Diffusor zwischen denen der Rotor angeordnet ist. Der Konzentrator ist nach unten hin geöffnet, der Diffusor ist zum Dach hin geöffnet.
Unter einem Konzentrator versteht man eine geeignete Vorrichtung um den Wind einzufangen und unter, für den Rotor optimalen Bedingungen, zu dem Rotor zu führen. Der Diffusor hat die Aufgabe, die vom Rotor abgebremsten Strömung, den benötigten Platz hinter dem Rotor zu verschaffen.
Die Verwendung der strömungsleitenden Mittel hat den Vorteil, dass der verwendete Rotor optimal angeströmt wird, was zu einer Steigerung des Wirkungsgrades des Rotors führt. Gegenüber den bekannten Windkraftanlagen, bei denen der Rotor direkt in der Strömung steht, kann hier über den Konzentrator eine wesentlich größere, vom Wind durchströmte Fläche, nutzbar gemacht werden. Der Diffusor hat den Vorteil, dass hinter dem Rotor ein Unterdruck entsteht, was die Leistungsausbeute weiter erhöht.
Die Anlage ist vorzugsweise für den Einsatz auf Flachdächern geeignet. Sie hat den Vorteil, dass von außen keine bewegten Teile zu sehen sind, was zu größerer Akzeptanz der betroffenen Bevölkerung führen soll, als es bei herkömmlichen Anlagen, auf hohen Masten und störenden Schattenwurf, der Fall ist.
Die Öffnung des Konzentrators ist nach unten ausgerichtet. Dabei ist das Ende vorteilhafterweise in einem Winkel ausgeprägt, der parallel zur Strömung an diesem Punkt verläuft. Diese Eigenschaft der Geometrie des Konzentrators verringert die Lasten auf das Gebäude.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels auf einem Dach.
2 zeigt einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels aus 3.
3 ist eine schematische Darstellung der Strömung durch den Querschnitt einer Windkraftanlage auf einem Flachdach.
4 zeigt die Anströmung eines beispielhaften Rotors im Inneren der Anlage aus 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 und 2 zeigen das Ausführungsbeispiel der Windkraftanlage. In 1 ist ein Modul auf einem Dach, aus der Sicht von schräg oben, dargestellt. Es sind die zwei wesentlichen Bestandteile 23, 27 der strömungsleitenden Mittel deutlich zu erkennen, der Windeinlass 23 und der Diffusor 27. Der Windeinlass und der Diffusor sind in dieser Ausführung als Planenkonstruktion realisiert, um Gewicht zu reduzieren. Der Windeinlass und der Diffusor bestehen aus einem Spannrahmen 36, der auf den Seitenblechen 37 befestigt ist. Die Plane 38 wird durch den Rahmen 36 vorgespannt, um ein Flattern der Plane zu vermeiden. Der Rahmen wird durch Querstreben 25 gestützt und verspannt sich in sich selbst, was für Steifigkeit sorgt. Zusätzlich wird die Steifigkeit erhöht, indem die Plane um 45° zur Gewebestruktur versetzt wird. Durch diese Konstruktion werden Kosten und Gewicht reduziert.
2 zeigt einen Querschnitt der Windkraftanlage aus 1. Der Windeinlass 30 ist nach unten geöffnet und lenkt den Wind auf den Rotor 2. Das Leitblech 8 verhindert, dass die Schaufeln, die nicht in der Strömung sein sollen, nicht angeströmt werden (Siehe 4 – 15). Der Rotor 2 ist in dieser Ausführung mit einem Zahnriehmen an einen Generator 5 gekoppelt.
Über dem Rotor 2 in 2 sind Überdruckbleche 6 angeordnet. Diese Bleche werden mittels eines Federdämpfers 26, unter normalen Bedingungen horizontal gehalten. Bei zu hohen Windgeschwindigkeiten steigt der statische Druck auf Höhe des Rotors und die Überdruckbleche 6 öffnen sich nach oben. Somit kann Luft an dem Rotor vorbeiströmen und die Belastung auf Anlage und Gebäude sinkt.
Der Diffusor 40 in 2 ermöglicht eine große Austrittsfläche für den Wind. Da die Anlage eine geschlossene Stromröhre darstellt und somit der eintretende Volumenstrom dem austretenden Volumenstrom entsprechen muss, ändert sich die Geschwindigkeit der Luft. Der Rotor bremst die Luft ab, somit benötigt die langsamere Luft hinter dem Rotor 8 eine größere Fläche, die durchströmt werden kann. Je größer die Austrittsfläche ist desto mehr kann die Luft abgebremst werden und desto mehr Energie kann der Strömung entzogen werden.
Bei der Überströmung eines Gebäudes stellen sich, je nach Abstand von der Gebäudewand, auf gleicher Höhe verschiedene Strömungswinkel ein. Die Öffnung des Konzentrators ist in einem bestimmten Winkel α zu der Dachebene ausgeführt, der sich aus dem Verhältnis der x-z-Komponenten (x-Achse entspricht der Horizontalen, z-Achse entspricht der Vertikalen) des Geschwindigkeitsvektors der Strömung am Anfang der Öffnung ergibt (größter Abstand zur orthogonal Gebäudewand). Der Winkel α wird wie folgt bestimmt:
Die Form des Konzentrators ist so gewählt, dass die Belastungen auf das Gebäude möglichst gering bleiben. Um die Richtung einer Strömung zu ändern, muss eine Kraft ausgeübt werden. Je stärker das Modul den Wind ablenkt, desto größer sind die Kräfte, die auf das Modul wirken. Der Windeinlass ist so gestaltet, dass die Ablenkung der Strömung von der Gebäudewand nach außen hin abnimmt. Demnach ist der Einlasswinkel dem Strömungswinkel an dieser Stelle nachempfunden, was zu einer möglichst geringen Ablenkung der Strömung führt. Somit tritt an der Stelle des größten Hebelarms die kleinste Belastung auf, was das Gebäude entlastet. Auch der Diffusor ist so geformt, dass mit steigendem Hebel die Belastung abnimmt.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Windkraftanlage, die in erster Linie für Flachdächer konzipiert ist. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Strömung 3 durch den Querschnitt der Anlage 24 auf einem Dach 10. Das Dach 10 ist am Rand von der Attika 9 begrenzt. Die Anlage 24 ragt über das Dach 10 und die Attika 9 und bildet eine Stromröhre 4 zwischen den strömungsleitenden Mitteln 11 und dem Gebäude 28. Der Wind 3, der über das Gebäude 28 strömt, strömt in Ebene 12 in die Anlage 24. Die durchströmte Fläche 29 der Stromröhre 4 verringert sich bis hin zur Ebene 13 über der Attika 9, wo die Geschwindigkeit der Luft maximal ist. Dieser Bereich 31 stellt einen Konzentrator dar. Die Windkraftanlage weist einen Rotor 2 auf. Hinter der Ebene 13 weitet sich die Stromröhre 4 auf, um der vom Rotor 2 abgebremsten Strömung, den benötigten Platz zu geben. Dieser Bereich 32 bildet einen Diffusor 27. Aus Ebene 14 tritt die Luft aus der Anlage aus. Der Rotor wir an der Stelle mit der größten Windgeschwindigkeit angebracht.
In 4 ist der Rotor 17 dieses Ausführungsbeispieles dargestellt. Durch den Rotor soll ein möglichst großer Teil der Leistung der Luft, die durch das Modul gelangt, entnommen werden und in eine Drehbewegung umgewandelt werden. Die Energie der Luft wird über die Rotorblätter 16 in ein nutzbares Drehmoment an der Narbe 18 umgewandelt. Der Rotor 17 ist ein Widerstandsläufer mit einfachen gebogenen Rotorblättern 16 und der Rotornarbe 18. Der Rotor befindet sich in der Anlage im Bereich der Ebene 13 3. Die Strömung ist mit Vektorpfeilen dargestellt. Es werden nur die zwei Schaufeln 20, 21 vom Wind direkt angeströmt, da diese mit der konkaven Seite direkt zu Strömung stehen. Durch die strömungsleitenden Mittel wird die Strömung optimalerweise so geleitet, dass immer mindestens zwei Schaufeln direkt und orthogonal vom Wind angeströmt werden. Die weiteren vier Schaufeln 33, 34, 35, 16 laufen im Leeren, d. h. die Relativbewegung der Schaufeln zur Luft ist gleich der Umlaufgeschwindigkeit. Auf die Schaufel, die sich kurz vor dem Eintritt in die Strömung befindet, wirkt keine Kraft, da die Luft hinter der Schaufel sich mit der Umfangsgeschwindigkeit bewegt.
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 2011/035415 A1 [0006]
DE 10307240 A1 [0006]
DE 202010015381 U1 [0006]
DE 4034272 A1 [0007]

Claims

Windkraftanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Wind, enthaltend (a) Mittel zur Befestigung auf einem Dach eines Gebäudes, und (b) einen, an einen Generator anschließbaren Rotor mit horizontaler Drehachse dadurch gekennzeichnet, dass (c) der Rotor im Bereich der Dachkante angeordnet ist, und (d) strömungsleitende Mittel vorgesehen sind, mit denen Strömung, die auf eine Gebäudeseite trifft, auf den Rotor konzentrierbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsleitenden Mittel einen Konzentrator und einen Diffusor umfassen und der Rotor zwischen dem Konzentrator und dem Diffusor angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dach als Flachdach ausgeführt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Konzentrators nach unten ausgerichtet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Diffusors zum Dach hin ausgerichtet ist
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Konzentrators in einem Winkel α zur horizontalen ausgeführt ist für den gilt:
wobei x, y: Geschwindigkeitsvektoren der Strömung am Anfang der Öffnung (größter Abstand zur orthogonal Gebäudewand).
Windkraftanlage nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage als Modul ausgebildet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor an beiden Seiten ein Drehmoment abgegriffen werden kann, um Verbraucher anzuschließen.