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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels einer durch einen Luftstrom angetriebenen Windkraftanlage.
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Die am weitesten verbreiteten Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels durch einen Luftstrom angetriebener Windkraftanlagen sind in der Form von Windrädern ausgebildet. Hierbei wird ein an einem Mast angeordneter Rotor durch den Wind in Rotation versetzt, wodurch mittels eines mit dem Rotor gekoppelten Generators elektrische Energie erzeugt wird.
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Diese bekannten Windräder weise das Problem auf, dass einerseits bei Windstille der Rotor nicht bewegt wird und somit kein elektrischer Strom erzeugt werden kann und andererseits bei zu starkem Wind das Windrad abgeschaltet werden muss, um eine Überhitzung des Generators zu verhindern.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie zu schaffen, die einen kontinuierlichen Betrieb gewährleistet.
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Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen beidseitig offenen rohrförmigen Strömungskanal, an dessen einem Ende eine den Strömungskanal permanent mit einem Luftstrom beaufschlagende, elektrisch angetriebene Windturbine angeordnet ist und in dem in Strömungsrichtung hinter der Windturbine hintereinander mehrere Windkraftanlagen angeordnet sind, wobei die elektrische Energie mindestens einer in Strömungsrichtung ersten Windkraftanlage eine wiederaufladbare Batterie lädt und die elektrische Energie der in Strömungsrichtung nachfolgenden Windkraftanlagen in ein Stromnetz einfließt.
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Die permanente Beaufschlagung des Strömungskanals mit dem von der Windturbine erzeugten Luftstrom gewährleistet einen kontinuierlichen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung und somit auch eine kontinuierliche Erzeugung elektrischer Energie.
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Mit einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Strömungskanal sich in Strömungsrichtung konisch verjüngend ausgebildet ist, um durch die sich bildenden unterschiedlichen Luftdrücke den Wirkungsgrad insbesondere an den in Strömungsrichtung weiter hinten liegenden Windkraftanlagen zu erhöhen.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in Strömungsrichtung zwischen der Windturbine und der ersten Windkraftanlage über den Umfang des Strömungskanals verteilt Lufteinlässe ausgebildet sind, wodurch sich der Luftstrom und somit der Luftdruck innerhalb des Strömungskanals erhöhen lässt. Die Lufteinlässe sind vorteilhafterweise so ausgebildet, dass sich diese anforderungsbedingt öffnen und schließen lassen.
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Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Strömungskanal horizontal ausgerichtet ist. Der Durchmesser des rohrförmigen Strömungskanals ist frei wählbar.
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Alternativ wird mit einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgeschlagen, dass der Strömungskanal vertikal ausgerichtet ist, um zusätzlich zum durch die Windturbine erzeugten Luftstrom gleichzeitig die Wirkung der Thermik zu nutzen, die zu einem Aufsteigen der Luft in dem vertikalen Strömungskanal führt.
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Mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in Strömungsrichtung hinter der Windturbine im Strömungskanal hintereinander mindestens fünf Windkraftanlagen angeordnet sind, wobei die elektrische Energie der in Strömungsrichtung ersten beiden Windkraftanlagen die wiederaufladbare Batterie lädt und die elektrische Energie der in Strömungsrichtung nachfolgenden Windkraftanlagen in das Stromnetz einfließt.
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Die Energie der über die in Strömungsrichtung ersten Windkraftanlagen aufgeladene wiederaufladbaren Batterie wird erfindungsgemäß zumindest teilweise dafür verwendet, den Antrieb der Windturbine zu unterstützen.
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Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass bei einem vertikal ausgerichteten Strömungskanal in Strömungsrichtung zwischen der Windturbine und der ersten Windkraftanlage eine Heizeinrichtung angeordnet ist und die Energie der wiederaufladbaren Batterie zumindest teilweise die Heizeinrichtung speist. Über diese Heizeinrichtung lässt sich die über die Windturbine und die Lufteinlässe in den Strömungskanal einströmende Luft erwärmen, wodurch sich der vertikale thermische Aufstieg der Luftmassen innerhalb des Strömungskanals deutlich steigern lässt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nur beispielhaft dargestellt sind, ohne die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele zu beschränken. In den Zeichnungen zeigt:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie.
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Die in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen 1 zur Erzeugung elektrischer Energie bestehen im Wesentlichen aus einen beidseitig offenen rohrförmigen Strömungskanal 2, an dessen einem Ende eine den Strömungskanal 2 permanent mit einem Luftstrom beaufschlagende, elektrisch angetriebene Windturbine 3 angeordnet ist und in dem in Strömungsrichtung S hinter der Windturbine 3 hintereinander mehrere Windkraftanlagen 4 angeordnet sind.
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Jede Windkraftanlage 4 besteht dabei aus einem um eine in Strömungsrichtung S verlaufende Drehachse 5 drehbaren Rotor 6, der durch den Luftstrom innerhalb des Strömungskanals 2 in Rotation versetzt, wodurch mittels eines mit dem Rotor 6 gekoppelten Generators 7 elektrische Energie erzeugt wird.
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Bei den in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie sind im Strömungskanal 2 in Strömungsrichtung S hinter der Windturbine 3 jeweils fünf Windkraftanlagen 4 hintereinander angeordnet. Die Anzahl von fünf Windkraftanlagen 4 ist nur beispielhaft und kann je nach der Dimensionierung des Strömungskanals 2 und der Windturbine 3 größer oder kleiner ausgelegt werden.
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Wie weiterhin aus 1 und 2 ersichtlich, wird die von den beiden in Strömungsrichtung S ersten Windkraftanlagen 4 erzeugte Energie dazu verwendet, eine wiederaufladbare Batterie 8 zu laden, wohingegen die von den nachfolgenden drei Windkraftanlagen 4 erzeugte elektrische Energie in ein Stromnetz 9 eingespeist wird.
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In Strömungsrichtung S zwischen der Windturbine 3 und der ersten Windkraftanlage 4 sind über den Umfang des Strömungskanals 2 verteilt Lufteinlässe 10 angeordnet, über die durch den Luftstrom innerhalb des Strömungskanals 2 Umgebungsluft in den Strömungskanal eingesogen wird. Hierdurch lässt sich der Luftstrom und somit der Luftdruck innerhalb des Strömungskanals 2 erhöhen. Die Lufteinlässe 10 sind vorteilhafterweise so ausgebildet, dass sich diese anforderungsbedingt öffnen und schließen lassen.
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Die in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Strömungskanal 2horizontal ausgerichtet ist, während der Strömungskanal 2 bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform vertikal ausgerichtet ist.
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Zusätzlich zu der horizontalen oder vertikalen Ausrichtung des Strömungskanals 2 unterscheiden sich die dargestellten Strömungskanäle 2 dadurch, dass der Strömungskanal 2 gemäß 1 einen über die gesamte Länge gleichbleibenden Durchmesser aufweist, während der Strömungskanal 2 gemäß 2 sich in Strömungsrichtung S konische verjüngend ausgebildet ist.
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Der gleichbleibende Durchmesser oder der sich konisch verjüngende Durchmesser der Strömungskanäle 2 ist aber unabhängig von der horizontalen oder vertikalen Ausrichtung der Strömungskanäle 2 und hier nur beispielhaft dargestellt.
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Die sich konisch verjüngende Ausbildung des Strömungskanals 2 ist vorteilhaft, um durch die sich bildenden unterschiedlichen Luftdrücke den Wirkungsgrad insbesondere an den in Strömungsrichtung weiter hinten liegenden Windkraftanlagen zu erhöhen.
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Bei der vertikalen Ausrichtung des Strömungskanals 2 lässt sich zusätzlich zum durch die Windturbine 3 erzeugten Luftstrom gleichzeitig die Wirkung der Thermik nutzen, die zu einem Aufsteigen der Luft in dem vertikalen Strömungskanal 2 führt. Zusammen mit eines sich konisch verjüngenden Durchmesser des Strömungskanals 2 lässt sich dieser Effekt noch verstärken.
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Die Energie der über die in Strömungsrichtung S ersten Windkraftanlagen 4 aufgeladene wiederaufladbare Batterie 8 kann zumindest teilweise dafür verwendet werden, den Antrieb der Windturbine 3 zu unterstützen, wie dies gestrichelt in 1 dargestellt ist.
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Bei einem vertikal ausgerichteten Strömungskanal lässt sich alternativ oder zusätzlich zum Antrieb der Windturbine 3 die Energie der wiederaufladbaren Batterie 8 zumindest teilweise zum Betrieb einer Heizeinrichtung 11 nutzen, die zwischen der Windturbine 3 und der ersten Windkraftanlage 4 angeordnet ist, wie dies gestrichelt in 2 dargestellt ist.
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Über diese Heizeinrichtung 11 lässt sich die über die Windturbine 3 und die Lufteinlässe 10 in den Strömungskanal 2 einströmende Luft erwärmen, wodurch sich der vertikale thermische Aufstieg der Luftmassen innerhalb des Strömungskanals 2 deutlich steigern lässt.
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Aufgrund der permanenten Beaufschlagung des Strömungskanals 2 mit dem von der Windturbine 3 erzeugten Luftstrom ist bei der dargestellten und zuvor beschriebenen Vorrichtung 1 zur Erzeugung elektrischer Energie ein kontinuierlicher Betrieb und somit auch eine kontinuierliche Erzeugung elektrischer Energie gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
- 2
- Strömungskanal
- 3
- Windturbine
- 4
- Windkraftanlage
- 5
- Drehachse
- 6
- Rotor
- 7
- Generator
- 8
- wiederaufladbare Batterie
- 9
- Stromnetz
- 10
- Lufteinlass
- 11
- Heizeinrichtung
- S
- Strömungsrichtung
