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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Läufer, der mehrere Tragflächenelemente aufweist, die an einer Transportgurtanordnung so gehalten und geführt sind, dass sie auf einer geschlossenen Bahn von einem ersten Umlenkpunkt längs eines ersten Bahnabschnitts zu einem zweiten Umlenkpunkt und von dort längs eines zweiten Bahnabschnitts zurück zu dem ersten Umlenkpunkt umlaufen.
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Ein Beispiel einer Windkraftanlage dieser Art wird in
US 6,072,245 A beschrieben.
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Bei den heute verbreiteten Rotor-Windkraftanlagen weist der Rotor in der Regel drei Rotorblätter auf, die für hohe Fliehkräfte ausgelegt sein müssen. Demgegenüber haben Windkraftanlagen der eingangs genannten Art den Vorteil, dass sich ein günstigeres Verhältnis zwischen Installationskosten und Leistung der Windkraftanlage ergibt. Bei den herkömmlichen Windkraftanlagen mit auf Transportgurten umlaufenden Tragflächenelementen wird jedoch zumeist nur auf einem der beiden Bahnabschnitte eine Vortriebskraft erzeugt, die in nutzbare Energie umgesetzt werden kann, während die Tragflächenelemente auf dem in entgegengesetzter Richtung laufenden Bahnabschnitt so eingestellt werden, so dass dort keine oder geringere aerodynamische Kräfte wirken und Antriebskraft in einer Richtung überwiegt. Zwar ist es im Prinzip möglich, den Anstellwinkel der Tragflächenelemente auf dem zurücklaufenden Bahnabschnitt so einzustellen, dass auch dort eine aerodynamische Vortriebskraft erreicht wird, jedoch hat diese Maßnahme nur einen geringen Effekt, da die Tragflächenelemente auf dem zurücklaufenden Bahnabschnitt nicht das richtige Profil haben. Üblicherweise wählt man die Profilform von Tragflächenelementen so, dass sie auf einer Seite konvexer sind auf der anderen, so dass sich aufgrund des Bernoulli-Effekts eine Auftriebskraft bzw. Vortriebskraft auf der konvexeren Seite ergibt, wenn das Profil von Luft umströmt wird. Da jedoch bei den bekannten Windkraftanlagen mit umlaufenden Tragflächenelementen die Elemente am Umkehrpunkt um 180° um ihre Längsachse gedreht werden, weist die konvexere Seite des Tragflächenprofils auf einem der Bahnabschnitte in die falsche Richtung, wodurch sich aerodynamisch ungünstige Verhältnisse und damit erhebliche Leistungseinbußen ergeben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage mit umlaufenden Tragflächenelementen zu schaffen, mit der eine höhere Leistung erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für jedes Tragflächenelement eine Stellvorrichtung vorgesehen ist, die, wenn das Tragflächenelement einen der Umlenkpunkte passiert, das Profil dieses Tragflächenelements so verstellt, dass die konvexere Seite des Tragflächenprofils in die Richtung weist, die der Bewegungsrichtung auf dem Bahnabschnitt entspricht, in den das Tragflächenelement eintritt.
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Auf diese Weise kann jedes Tragflächenelement auf beiden Bahnabschnitten eine gleich hohe Vortriebskraft erzeugen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einer Ausführungsform sind die Tragflächenelemente so an den Transportgurten des Läufers geführt, dass sie an den Umkehrpunkten ihre Orientierung im wesentlichen beibehalten, so dass die Luv-Seite des Tragflächenelements auf beiden Bahnabschnitten durch dieselbe Kante gebildet wird. Die Verstellung des Profils erfolgt z.B. durch elastische Verformung einer von der Luv-Seite zur Lee-Seite des verlaufenden Wand des Tragflächenelements.
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Ergänzend kann an den Umkehrpunkten auch eine Verstellung des Anstellwinkels der Tragflächenelemente erfolgen.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage gemäß der Erfindung;
- 2 einen Querschnitt eines Tragflächenelements während der Bewegung auf einem ersten Bahnabschnitt seiner Bewegungsbahn; und
- 3 einen Querschnitt des Tragflächenelements während der Bewegung auf einem zweiten Bahnabschnitt seiner Bewegungsbahn.
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Die in 1 gezeigte Windkraftanlage weist einen stationär auf dem Boden befestigten Drehschemel 10 auf, auf dem ein Lagerbock 12 um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist. In dem Lagerbock 12 sind drei Umlenkräder 14, 16 gelagert, die zusammen einen ersten Umlenkpunkt 18 eines Läufers 20 bilden. Ein zweiter Umlenkpunkt 22 des Läufers wird durch einen weiteren Satz von Umlenkrädern 14, 16 gebildet. Über die einander entsprechenden Umlenkräder 14, 16 jedes Umlenkpunktes 18, 22 ist jeweils ein endloser Transportgurt 24, 26 geführt. An den Transportgurten 24, 26 sind mehrere Tragflächenelemente 28a, 28b gehalten, die in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Jedes der Tragflächenelemente 28a, 28b ist an seinen entgegengesetzten Enden im Bereich der leeseitigen, also vom Wind abgewandten Kante an einem der Transportgurte 24 befestigt, die über die endständigen Umlenkräder 14 laufen. In der Mitte ist jedes Tragflächenelement im Bereich seiner luvseitigen Kante an dem Transportgut 26 befestigt, der über die mittleren Umlenkräder 16 läuft. Die Tragflächenelemente 28a sind so angestellt und profiliert, dass sie sich aufgrund der vom Wind erzeugten Auftriebskräfte auf einem ersten Bahnabschnitt (vorn in 1) aufwärts von dem ersten Umlenkpunkt 18 zu dem zweiten Umlenkpunkt 22 bewegen. Die Tragflächenelemente 28b bewegen sich auf einem zweiten Bahnabschnitt (hinten in 1) abwärts von dem zweiten Umlenkpunkt 22 zu dem ersten Umlenkpunkt 18.
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Die mittleren Umlenkräder 16 sind jeweils auf einer Achse 30 gelagert (nur bei dem zweiten Umlenkpunkt 22 sichtbar), die gegenüber der Drehachse der Umlenkräder 14 in der Horizontalen um ein gewisses Maß versetzt ist, das etwa der Breite der Tragflächenelemente 28a, 28b entspricht. Durch den entsprechenden Versatz der Transportgurte 24 und 26 werden die Tragflächenelemente in einer definierten Position gehalten. Auch in der Vertikalen sind die Achsen 30 der Umlenkräder 16 gegenüber den Achsen der Umlenkräder 14 etwas nach unten versetzt. Wenn eines der Tragflächenelemente 28a auf dem ersten Bahnabschnitt den oberen Umlenkpunkt 22 erreicht, so muss aufgrund dieses Versatzes der Achsen die leeseitige Kante, die an den Transportgurten 24 befestigt ist, einen etwas weiteren Weg zurücklegen als die luvseitige Kante, die an dem Transportgurt 26 gehalten ist. Das hat zur Folge, dass, während der Umkehrpunkt 22 durchlaufen wird, die leeseitige Kante gegenüber der luvseitigen Kante etwas zurückbleibt. Aus diesem Grund haben die Tragflächenelemente 28b, die sich auf dem zweiten Bahnabschnitt abwärts bewegen, einen anderen Anstellwinkel als die Tragflächenelemente 28a. Der Anstellwinkel der Tragflächenelemente 28b ist so gewählt, dass die umströmende Luft eine Abtriebskraft erzeugt. Diese Abtriebskraft wird über die Transportgurte 24 in eine Zugkraft umgesetzt, die auf die Umlenkräder 14 ein Drehmoment ausübt, das den gleichen Drehsinn hat wie das Drehmoment, das durch die Tragflächenelemente 28a verursacht wird. Somit kann die Windenergie während des gesamten Umlaufs eines Tragflächenelements, sowohl in dem aufsteigenden ersten Bewegungsabschnitt als auch in dem absteigenden zweiten Bewegungsabschnitt in nutzbare Energie umgewandelt werden. Am unteren (ersten) Umkehrpunkt 18 ist eines der Umlenkräder 14 über ein Getriebe mit einem Generator 32 verbunden, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
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Wenn ein Tragflächenelement 28b den unteren Umkehrpunkt 18 erreicht, so ist aufgrund des vertikalen Versatzes der Achsen der Umlenkräder 14 einerseits und des Umlenkrades andererseits der Weg, den die leeseitige Kante zurücklegen muss, etwas kürzer als der Weg, den die luvseitige Kante zurücklegt, so dass der ursprüngliche Anstellwinkel der Tragflächenelemente 28a wiederhergestellt wird, wenn das Tragflächenelement wieder in den ersten Bahnabschnitt eintritt.
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Wie nachstehend anhand der 2 und 3 erläutert werden soll, weist jedes der Tragflächenelemente 28a, 28b eine Stellvorrichtung 34 auf, die das Profil dieses Tragflächenelements in dem Moment verändert, in dem dieses Tragflächenelement einen der Umlenkpunkte 18, 22 passiert.
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2 zeigt einen Querschnitt eines der Tragflächenelemente 28a zu dem Zeitpunkt, zu dem dieses Tragflächenelement sich dem oberen Umlenkpunkt 22 nähert. Auf der Luv-Seite weist das Tragflächenelement eine geschlossene Wand 36 auf, die ein symmetrisches Stromlinienprofil bildet. An diese Wand 36 schließt sich zur Lee-Seite an jedem Ende des Tragflächenelements ein bügelförmiger Rahmen 38 an, dessen Innenkontur ebenfalls ein symmetrisches Stromlinienprofil definiert. An die obere Hälfte dieses Stromlinienprofils schmiegt sich in 2 eine flexible Wand 40 an, die zumindest an den Enden, mit denen sie an dem Rahmen 38 anliegt, aus magnetischem oder magnetisierbarem Material besteht. Auch der Rahmen 38 besteht aus magnetischem oder magnetisierbarem Material, so dass die Wand 40 durch magnetische Anziehung an dem Rahmen 38 in Anlage gehalten wird und deshalb auf ganzer Länge des Stromlinienprofil annimmt, das durch die Innenkontur des Rahmens definiert wird.
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Am luvseitigen Ende ist die Wand 40 über einen Halter 42 mit einem elektromagnetischen Linearantrieb 44 verbunden, der aus einer nicht gezeigten Batterie oder über die elektrisch leitfähigen Transportgurte 26, 24 gespeist wird.
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Jedes Tragflächenelement 28a, 28b ist in der Mitte durch eine Lücke 46 (1) unterbrochen, damit es nicht zu einer Kollision mit den Umlenkrädern 16 kommt. In dieser Lücke ist die luvseitige Kante jeder Hälfte des Tragflächenelements schwenkbar an dem Transportgurt 26 gehalten. Ein in dem Tragflächenelement untergebrachter Schalter 48 weist einen in der Zeichnung nicht erkennbaren Fühler auf, der in die Lücke 46 ragt und den Moment abtastet, an dem sich der Transportgurt 26 vom Umfang eines der Umlenkräder 16 löst. Die Betätigung des Schalters 48 löst eine Stellaktion des Linearantriebs 44 aus, bei der der Halter 42 und damit das Ende der flexiblen Wand 40 zum unteren Ende der Wand 36 gefahren wird, wie in 3 gezeigt ist. Durch diese Stellbewegung wird die magnetische Haftung zwischen den Enden der Wand 40 und den Bügeln 38 gelöst, so dass die Wand 40 der Bewegung des Halters 42 folgen kann und dann magnetisch gegen die untere Hälfte der Rahmen 38 angezogen wird. Das Tragflächenelement tritt dann in den zweiten Bahnabschnitt des Läufers 20 ein, in dem es sich abwärts bewegt, und ist deshalb in 3 mit dem Bezugszeichen 28b bezeichnet.
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In dem in 2 gezeigten Zustand gibt die Wand 40 dem Tragflächenelement ein an der Oberseite konvexes Profil, das, wenn dieses Profil von Luft 50 umströmt wird, aufgrund des Bernoulli-Effekts eine aufwärts gerichtete Auftriebskraft erzeugt. Sobald das Tragflächenelement jedoch den oberen Umlenkpunkt 22 passiert und die Wand 40 in die in 3 gezeigte Position verstellt wird, erhält das Tragflächenelement ein an der Unterseite konvexes Profil, das auf dem abwärts verlaufenden Bahnabschnitt für eine abwärts gerichtete Abtriebskraft sorgt. Diese Auftriebs- und Abtriebskräfte werden noch zusätzlich dadurch unterstützt, dass aufgrund des vertikalen Versatzes der Achse 30 gegenüber den Achsen der Umlenkräder 14 der Anstellwinkel des Tragflächenelements verändert wird, wie bei einem Vergleich der 2 und 3 zu erkennen ist
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Wenn das Tragflächenelement 28b den unteren Umlenkpunkt 18 erreicht, wird die Wand 40 durch den Linearantrieb 44 wieder in die in 2 gezeigte Position zurückgestellt.
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In einer anderen Ausführungsform kann die Umstellung des Profils, z.B. mit Hilfe von Magneten, auch von außerhalb des Läufers erfolgen. Beispielsweise könnte an jedem ende der flexiblen Wand 40 an der Vorderkante ein Magnet angeordnet sein der entlang einer Führungsschiene auf und ab bewegbar ist und durch den magnetisierten Rahmen 38 in seiner jeweiligen Endlage gehalten wird. Am oberen Umkehrpunkt läuft, wie 1 zeigt, nur der untere Rahmenschenkel an Rand des Umlenkrades 14 vorbei. Wenn der Rand des Umlenkrades magnetisiert ist, so nimmt vorübergehend auch die Magnetisierung des unteren Rahmenschenkels zu, und der Magnet an der Wand 40 wird nach unten gezogen. Am unteren Umlenkpunkt lauft nur der obere Rahmenschenkel am Rand des Umlenkrades 14 vorbei, und durch den oben beschriebenen Mechanismus wird die Vorderkante der Wand 40 wieder nach oben gezogen.
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Wahlweise kann die Umstellung zumindest am unteren Umkehrpunkt auch elektromagnetisch erfolgen. In dem Fall lässt sich die Stellvorrichtung wahlweise auch abschalten, so dass die Tragflächenelemente ihre Profilform behalten und der Läufer nur „mit halber Kraft“ angetrieben wird und somit die Umlaufgeschwindigkeit gesteuert werden kann.
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Wie in 1 zu erkennen ist, sind die oberen Umlenkräder 14 einzeln in einer jeweiligen Nabe 52 gelagert, und diese Naben 52 sind an einem Flugdrachen 54 aufgehängt, der den Läufer 20 in einer im wesentlichen aufrechten Position hält, in der der Wind gut an den Tragflächenelementen 28a, 28b angreifen kann. Jede der Naben 52 weist einen Halter 56 auf, an dem ein Ende der Achse 30 für das Umlenkrad 16 befestigt ist. Die Achse 30 und die Tragflächenelemente 28a, 28b wirken zugleich als Abstandshalter, die die beiden Umlenkräder 14 am oberen Umlenkpunkt in einem definierten Abstand halten.
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Wenn sich die Windrichtung ändert, sorgt der Flugdrachen 54 dafür, dass der gesamte Läufer 20 sich um die Achse des Drehschemels 10 dreht, bis die Tragflächenelemente 28a, 28b wieder rechtwinklig zur Windrichtung orientiert sind.
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Die Stellvorrichtungen 34 zum Verstellen der Profilform der Tragflächenelemente können in anderen Ausführungsformen auch auf andere Weise realisiert werden. Beispielsweise kann die Wand 40 als nichtmagnetische aber elastische Wand ausgebildet sein, die sich am vorderen Ende bis zur luvseitigen Kante des Tragflächenelements erstreckt und durch die Rahmen 38 so unter Schubspannung gehalten wird, dass sie entweder an dem einen oder dem anderen Rahmenschenkel anliegt. Die Stellvorrichtung kann dann durch einen Antrieb gebildet werden, der etwa in der Mitte zwischen der luvseitigen und der leeseitigen Kante an der Wand 40 angreift und diese, wenn die Vorrichtung betätigt wird, in Richtung auf den gegenüberliegenden Rahmenschenkel zieht, so dass die elastische, gewölbte Wand 40 aufgrund der Schubspannung zur entgegengesetzten Seite durchschlägt.
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Wahlweise kann die Stellvorrichtung auch außerhalb der Tragflächenelemente angeordnet sein. In dem Fall werden für sämtliche Tragflächenelemente nur zwei Stellvorrichtungen benötigt, von denen eine am oberen und die andere am unteren Umlenkpunkt angeordnet ist. Beispielsweise können die Stellvorrichtungen durch mit Hilfe eines Antriebs betätigbare Arme gebildet werden, die von außen auf die Wand 40 drücken und die an einem ortsfesten Gestell angeordnet sind, an dem auch die Naben 52 gehalten sind, und das entweder an einem Flugdrachen aufgehängt ist oder Teil einer starren Tragkonstruktion für den Läufer 20 ist.
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In anderen Ausführungsformen können die Tragflächenelemente auch so an den Transportgurten gehalten sein, dass sie an jedem Umlenkpunkt um annähernd 180° um ihre Längsachse gedreht werden, so dass jede der beiden Kanten des Tragflächenelements abwechselnd die luvseitige und die leeseitige Kante bildet. Das Tragflächenelement kann dann flexible obere und untere Wände aufweisen, und die Verstellung des Profils kann dadurch erfolgen, dass ein annähernd zylindrischer Formkörper im Inneren des Tragflächenelements von einer Kante zur anderen verstellt wird, so dass jeweils an der luvseitigen Kante der Krümmungsradius der Wand vergrößert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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