DE212007000108U1

DE212007000108U1 - Segel-Windenergieanlage

Info

Publication number: DE212007000108U1
Application number: DE212007000108U
Authority: DE
Original assignee: ZAKUTNEU YURY V
Current assignee: ZAKUTNEU YURY V
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2017-10-16
Also published as: WO2009049392A1

Abstract

Segel-Windenergieanlage, die aus einem Windeintrittskasten (1), der ständig dem Wind entgegen gerichtet ist, einer Turbine (2) und einem Stromerzeuger (3) besteht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anlage als kegelförmiger Konfusor (1) geradliniger, krummliniger oder parabolischer Form aufgebaut und für die Lufteinnahme auf der Fläche des maximalen Querschnitts des Konfusors vorgesehen ist,
dass eine mehrflügelige Längsturbine (2) mit senkrechter oder waagerechter Drehachse vorgesehen ist, die orthogonal zur Windströmungsrichtung gerichtet ist, und
dass dabei der Konfusor (1) auf einer Kreiswendevorrichtung (5) auf der Erde oder auf einer bestimmten Höhe von der Erde gestellt ist und sich ständig der Windströmung entgegen dreht.

Description

Die Erfindung gehört zu der Elektroenergiewirtschaft, insbesondere zu den Konstruktionen von Windenergieanlagen mit einer Turbine, deren Drehachse zur Windströmungsrichtung senkrecht steht, und kann für die Errichtung von Windenergieanlagen (WEA) mit hoher Aggregatleistung verwendet werden.
Sehr bekannt und allgemein verbreitet sind Flügel-Wind-Energieanlagen, die aus ein oder mehreren Flügel-Aeromotoren, einem Reduktor und einem Generator bestehen und die auf ziemlich hohen Stützen aufgebaut werden (Subarew, W. W., „Probleme bei der Benutzung der Windenergie für die Elektrifizierung", M., 1980).
Die Mängel dieser Anlagen sind der hohe Preis (etwa 1 Mio. Dollar bei einer Leistung von 1 Megawatt) und die große Rückflussdauer, sogar, wenn die WEA in Bezirken mit einer hohen, jahresdurchschnittlichen Windgeschwindigkeit (8–10 m/s) gebaut werden. Bei geringen Geschwindigkeiten (2–4 m/s) fangen solche Anlagen erst an zu arbeiten und sind deshalb in der Regel wirtschaftlich unzweckmäßig. Außerdem ist die Maximalleistung der Einzelanlage durch die Werkstofffestigkeit der für die Flügel verwendeten Werkstoffe begrenzt; sie beträgt etwa 3–4 Megawatt, da bei einem Flügeldurchmesser von 50–100 m sich die Lineargeschwindigkeit an den Flügelenden der Schallgeschwindigkeit nähert.
Durch die FR 2 803 336 A1 ist ferner eine Anlage zur Verwendung von Windenergie, Type Segelturbine, bekannt. Zu den Mängeln dieser Anlage ist die geringe Leistung der Einzelanlage und als Folge die begrenzte Anwendung dieser Anlage zu zählen, nämlich in entfernten Gegenden, am Meeresufer und auf Bauernhöfen, wie es in der Beschreibung der Erfindung dargestellt ist.
Das nächstkommende Analogon nach dem technischen Wesen ist eine Windenergieanlage, die als kegelförmiger Konfusor aufgebaut ist, der sich aufgrund des Kreisaufbaus ständig dem Wind entgegen dreht, wobei eine Turbine im kleinsten Konfusorquerschnitt angeordnet ist und die Turbinenachse parallel zur Windströmung gerichtet ist (BY 10084).
Die Mängel dieser Anlage sind der große Winddruckverlust wegen der Luftreibung an den Konfusorwänden, und ferner die begrenzte Maximalleistung der Einzelanlage wegen der Kompliziertheit der Konstruktionsausführung.
Das technische Ergebnis der vorliegenden Erfindung ist die Errichtung einer solchen Konstruktion einer Windenergieanlage, die eine große Aggregatleistung gewährleistet, die sogar bei geringen Windgeschwindigkeiten funktioniert und die dabei die Windströmungenergie, die durch den Konfusor erfasst wird, maximal ausnützt.
Der Konzeptunterschied der vorliegenden Erfindung zu den bekannten Anlagen besteht in Folgendem: der größte Teil der Erfindung ist auf die Erhöhung des Nutzungskoeffizienten der Windströmung gerichtet.
Wenn berücksichtigt wird, dass nach einigen Angaben („Windanlagen – eine der Grundlagen der alternativen Energetik", Elektrika, Nr. 1, 2002, M.), die Windenergie auf der Erde um 50–100 Mal alle Kohlenwasserstoffvorräte, inklusive Wälder bei deren Verbrennung, übersteigt, so ist die Verwendung von sogar nur 1 bis 2% der Windenergie von großer Bedeutung. Aber diese Verwendung verhindern der hohe Preis der bekannten Windenergieanlagen und die Unwirksamkeit der Funktion dieser Windenergieanlagen bei geringen Windgeschwindigkeiten, die für Weißrussland, Ukraine, den größten Teil Russlands und einige andere Länder kennzeichnend sind. Deshalb sind das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Verringerung der spezifischen Kosten je Kraftstromeinheit und die Möglichkeit, eine Windenergieanlage großer Leistung bei geringen, jahresdurchschnittlichen Windgeschwindigkeiten (4–5 m/s) aufzubauen.
Zur Zeit werden Zehntel oder sogar nur Hundertstel eines Prozents der ganzen Windenergie auf der Erde tatsächlich verwendet, und deshalb ist es auch nicht so wichtig, welcher Teil dieses Prozentanteils (0,2 oder 0,5) in dieser Konstruktion der WEA verwendet wird.
Es ist wichtig, selbst den Gebrauch der Windenergie zu erweitern, und das ist unmittelbar mit der Verringerung der spezifischen Kosten der Elektroenergie und der Möglichkeit der Funktion der Windenergieanlage bei geringen Windgeschwindigkeiten verbunden, und das ist auch das Ziel der vorliegenden Erfindung.
Die Leistung der Windenergieanlage kann nach folgender, bekannter Formel errechnet werden (Subcrew, W. W., „Probleme bei der Benutzung der Windenergie für die Elektrifizierung., M., 1980): P = 0,0049·ρ·V3·F·ξwobei

ρ: Massenluftdichte, die bei einem Atmosphärendruck von 760 mm Quecksilbersäule und einer Lufttemperatur von +15°C ρ = 0,125 ist;
V: Abflussgeschwindigkeit in m/s;
F: Querschnittsfläche in m²;
ξ: Nutzungskoeffizient des Winds ist.

Der maximale Wert ξ kann nicht grösser als 0,593 (theoretisch von Professor Shukowski, N. E., festgestellt). Er verändert sich tatsächlich von 0,2 bis 0,5 im Bereich der optimalen Windgeschwindigkeiten und hängt von der Konstruktion des Aeromotors ab.
Für die vorgeschlagene Anlage kann ξ ungefähr einen Wert von 0,3 annehmen. Der genaue Wert hängt vom Werkstoff des Konfusors, der Parabelform und, der Menge und Form der Turbinenschaufeln ab und kann nach einer Prüfung von Versuchsmodellen gewonnen werden.
So wächst bei technisch einfach zu realisieren Massen mit einem Eintrittsquerschnitt des Konfusors von 60 × 100 m (im Fall mit einer senkrechten Lage der Turbine), und bei einer Windgeschwindigkeit in Erdnähe von 5 m/s, die Windgeschwindigkeit in der Konfusorhöhe. Bei der Berechnung kann eine Durchschnittsgeschwindigkeit (auf der Höhe von 50 m) angenommen werden. Die Leistung der Windenergieanlage beträgt dabei P = 30 kW. Bei einer Windgeschwindigkeit in Erdnähe von 12 m/s beträgt die Leistung der WEA gleich 4500 kW.
Technisch einfach ist auch der Aufbau der Windenergieanlage mit großen Massen für die Gewinnung von größeren Leistungen einer einzelnen Anlage.
Die Verringerung der spezifischen Kosten der vorgeschlagenen Windenergieanlage wird durch deren Errichtung auf der Erde, auf Gebäudedächern, auf Stützen, die auf dem Umfang einer Führungskonstruktion gestellt werden, erreicht. Es ist offensichtlich, dass der Bau von verteilten Stützen und deren Fundamenten viel einfacher als der Bau eines Mastes ist, sogar bei Leistungen von 1 Megawatt und mehr.
Geringere Kosten können auch durch Verzicht auf die Benutzung eines Reduktors erreicht werden.
Für den Aufbau der vorgeschlagenen Windenergieanlage werden keine spezifischen Verbundwerkstoffe wie bei der Herstellung der Flügel benötigt. Als Stützen können die für Starkstromleitungen vorgesehenen Serienstützen benutzt werden, die in Bohrbaugruben gestellt werden.
Eine Betriebsmöglichkeit der Windenergieanlagen bei geringen Windgeschwindigkeiten wird dadurch gewährleistet, dass der Konfusor ein besonderer Windgeschwindigkeitsverstärker mit einem Verstärkungsverhältnis ist, das etwa dem Verhältnis der Fläche des maximalen Konfusorquerschnitts zur Fläche des minimalen Querschnitts unter Abzug eines Winddruckverlustes durch Wandreibung im Konfusor entspricht.
Der Aeromotor ist als längslaufende Mehrschaufelturbine ausgeführt, die auf einen minimalen Konfusorquerschnitt abgestimmt ist, wobei die Turbinenachse senkrecht zur Windströmungsrichtung gestellt werden soll.
Das Konfusorgehäuse kann aus festen oder flexiblen Werkstoffen ausgeführt sein, beispielsweise aus Fallschirm- bzw. Segelstoff oder aus einem speziell hergestellten Stoff. Flexible Werkstoffe können auch teilweise verwendet werden, insbesondere am Konfusorumfang, bei dem die mechanische Belastung ziemlich gering ist.
Ein Oberwagen für die Verwendung auf einem Einschienengleis oder Gleisstrang wird auf der Erde oder auf gestützten Fundamenten auf einer bestimmten Höhe von der Erde gestellt.
Die Konfusorlänge kann größer als der Durchmesser des Oberwagens sein.
Gleich mit den Walzen der Turbine läuft ein Stromerzeuger mit oder ohne Reduktor. Stromerzeuger können auch auf beiden Turbinenstirnseiten gestellt werden.
Zur gleichmäßigen Belastung der Turbinenwalzen und zur Verringerung der Anlagenvibration können Stromerzeuger auch an mehreren Stellen längs der Turbine gestellt werden (Aufteilung der Turbine in die Sektionen). In diesem Fall werden die Walzen des Stromerzeugers mit den Turbinenwalzen mittels eines Riementriebs, Kettentriebs oder Zahnradtriebs verbunden.
Als Zerstörungsschutz der WEA gegen stürmische Windgeschwindigkeiten dienen Wendeflügel an den Konfusorwänden, die bei zulässigen Windgeschwindigkeiten geöffnet werden.
Um einen Vergrößerungsfaktor der Windgeschwindigkeit abhängig von der Höhe über der Erde zu benutzen, muss berücksichtigt werden, dass die Leistung der Windenergieanlage von der Windgeschwindigkeit kubisch abhängt, und dann kann die Anlage mit einigen Konfusoren aufgebaut werden, die auf der Konstruktion aufeinander gestellt werden.
Für denselben Zweck und auch für eine Verringerung des Winddruckverlustes wegen der Luftreibung an den Konfusorwänden können der Konfusor und die Turbine vertikal oder orthogonal zur Windrichtung gestellt werden.
Auf den Konfusorstirnseiten werden Querwände (Deckel) geradliniger, krummliniger oder parabolischer Form gestellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine windenergetische Anlage mit einer Waagerechten Turbinenlage,
2 Seitenansicht der Anlage der 1,
3 einen Schnitt durch die Windenergieanlage längs der Linie A-A in 1 im Turbinenaufstellungsplatz,
4 eine Draufsicht einer Windenergieanlage mit einer senkrechten Turbinenlage,
5 eine Vertikaldraufsicht auf einer Windenergieanlage mit vertikal ausgerichteten Turbinen
6 eine Seitenansicht der Windenergieanlage der 4.
Die Windenergieanlage gemäß der Erfindung besteht aus einem kegelförmigen Konfusor 1, einer Mehrschaufelturbine 2, einem Stromerzeuger 3, einem Anker 4 zum Kippschutz, einer Kreiswendevorrichtung 5, Leiträdern oder einem Bogengestell 6, oder einem Versetzungsantrieb 7, Abstellstützen 8, einem Geber 9 für die Windrichtung, einem automatischen Konfusororientierungssystem 10, einem Leitradantrieb 11 und öffnenden Klappen 12.
Diese Anlage arbeitet folgendermaßen:
Der Geber 9 für die Windrichtung beeinflusst mittels des Konfusorautomatisierungssystems 10 den Leitradantrieb 11 des Versetzungsantriebs 7 derart, dass der maximale Konfusorquerschnitt immer der Windströmung entgegen gerichtet ist. Die durch den Konfusor 1 umfasste Windströmung wird auf die Mehrschaufelturbine 2 gerichtet und beginnt den Stromerzeuger 3 für die Elektroenergieproduktion zu drehen.
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

- FR 2803336 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Subarew, W. W., „Probleme bei der Benutzung der Windenergie für die Elektrifizierung”, M., 1980 [0002]
- „Windanlagen – eine der Grundlagen der alternativen Energetik”, Elektrika, Nr. 1, 2002, M. [0009]
- Subcrew, W. W., „Probleme bei der Benutzung der Windenergie für die Elektrifizierung., M., 1980 [0012]
- Professor Shukowski, N. E. [0013]

Claims

Segel-Windenergieanlage, die aus einem Windeintrittskasten (1), der ständig dem Wind entgegen gerichtet ist, einer Turbine (2) und einem Stromerzeuger (3) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage als kegelförmiger Konfusor (1) geradliniger, krummliniger oder parabolischer Form aufgebaut und für die Lufteinnahme auf der Fläche des maximalen Querschnitts des Konfusors vorgesehen ist, dass eine mehrflügelige Längsturbine (2) mit senkrechter oder waagerechter Drehachse vorgesehen ist, die orthogonal zur Windströmungsrichtung gerichtet ist, und dass dabei der Konfusor (1) auf einer Kreiswendevorrichtung (5) auf der Erde oder auf einer bestimmten Höhe von der Erde gestellt ist und sich ständig der Windströmung entgegen dreht.
Segel-Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einigen Konfusoren (1) besteht, die aufeinander aufgebaut sind.
Segel-Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse des Konfusors (1) Wendeflügel (12) eingebaut sind, die bei einem unzulässigen Winddruck geöffnet werden.
Segel-Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Turbine (2) einige Stromerzeuger (3) angebaut sind, die jeweils mit Walzen der Turbine durch einen mechanischen Antrieb verbunden sind, wobei der Stromerzeuger unter, über oder neben der Turbine abhängig von der Konstruktionsausführung anbaubar ist.
Segel-Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser eines Oberwagens kleiner als die Konfusorbreite ist.
Segel-Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konfusor (1) völlig oder teilweise aus flexiblen Werkstoffen aufgebaut ist.