DE2402647C3 - Windkraftanlage - Google Patents

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die sich bis in eine Höhe im Bereich von 100 m über dem Erdboden lotrecht erstreckende Röhre neben einer unteren Hauptlufteintrittsöffnung in einem am oberen Ende angeordneten ejektorartigen Aufsatz sine zweite Lufteintrittsöffnung aufweist, und daf. beide Lufteintrittsöffnungen unabhängig voneinander einstellbar sind.

Durch die voneinander unabhängige Einsteilung jeder Lufteintriusöffnung entsprechend der Windrichtung ist bei jeder Windrichtung eine optimale Leistungsgewinnung gewährleistet, da die Windrichtung bei Höhendifferenzen der Lufteintrittsöffnungen von etwa 100 m oben bereits eine andere sein kann als unten.

Vorteilhaft wirkt es sich dabei aus, daß der Aufsatz 'S am oberen Ende der Röhre ein horizontales Rohrleitungsstück trägt und insgesamt drehbar ausgestaltet ist. Auch die vertikal stehende Röhre ist ihrerseits insgesamt oder in dem Teil, in den. sich die Windeintrittsöffnung befindet, drehbar, so daß die » öffnung immer gegen den Wind gerichtet werden kann, ebenso wie der düsenartige Aufsatz am oberen Ende der Röhre.

Im Bereiche der unteren Windeintrittsöffnung und der oberen im ejektorartigen Aufsatz liegenden J5 Windauslaßöffnung sind feststehende oder veränderliche Windleitflächen angeordnet. Das Windrad oder die Turbine steht mit ihrer Achse strömungsparallel zu dem in die Windeintrittsöffnung einströmenden Wind und ist dabei entweder in der vertikal stehenden Eintrittsoff- *> nung selbst angeordnet, wobei diese gegebenenfalls kanalartig in Gegenrichtung des Windes verlängert ist, oder das Windrad ist innerhalb der vertikalen Röhre angeordnet.

Innerhalb der vertikalen Röhre und in Strömungsrich- JS tung hinter dem Windrad kann schließlich eine Wendel oder weitere Windräder angeordnet sein, die auf einer Achse sitzen, welche mit der Achse der Röhre zusammenfällt und sich nach unten durch die Röhre hindurchstreckt.

Es ist auch möglich, die Eintrittsöffnung im unteren Bereich der Röhre zur Mitte der Röhre nach oben hin zu verschieben und den Luftstrom des einströmenden Windes in einem Ringmantelrohr, das die Röhre umgibt, nach unten zu leiten, wo der Luftstrom in das Innere der Röhre und nach oben hin umgelenkt wird. In diesem Falle kann das Windrad in dem Ringmantelrohr oder in der mittleren vertikalen Röhre angeordnet sein.

Bei einer solchen Ausgestaltung ist die Lufteintrittsöffnung, die im Bereiche der Mitte der Röhre etwa liegt, ebenfalls drehbar um die mittlere Röhre herum ausgeführt.

Im Bereiche der Eintrittsöffnung können Rotoren angeordnet sein, die der Windregulierung dienen und die je nach Windstärke entweder rechts oder links herum laufen und die von außen angebrachten Windrädern angetrieben sind.

Die Röhre mit ihren verschiedenen Ein- und Auslassen ist vorzugsweise auf einem Gebäude errichtet, in welchem die weiteren Einrichtungen der Anlage untergebracht sind und erstreckt sich in eine Höhe, die sich nach den landschaftlichen Verhältnissen richtet. Es ist jedoch selten nötig, die Röhre langer als etwa 100 m auszuführen. Durch die Anordnung der vertikalen Röhre und dem an ihrem oberen Ende ⁶* angeordneten ejektorartigen Aufsatz wird der im Bereiche des unteren Endes eintretende Wind durch den im düsenartigen Aufsatz erfolgenden Druckabfall verstärkt und ist so zur Erzeugung einer größeren Leistung geeignet.

Vor dem Windrad, das stets gegen den Wind dreht, befindet sich ein Windverteiler, welcher den Wind auf die Spitzen oder Enden der Flügel des Windrades leitet, so daß ein schnellerer Luftdurchzug und wegen des längeren Hebelarms eine größere Kraft erzeugbar ist.

Die im wesentlichen einen Mast bildende Röhre ist in an sich bekannter Mastbauweise versteift und verstrebt.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Windkraftanlage nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Anlage ähnlich der der F i g. 1, jedoch mit einer anderen Anordnung des Windrades und einem seitlich über die Windeintrittsöffnung hinausstehenden Leitkanal,

F i g. 3 eine Anlage mit einer zusätzlichen krafterzeugenden Vorrichtung,

Fig.4 eine weitere Abwandlung in der Anordnung des Windrades einschließlich weiterer krafterzeugender Einrichtungen und

F i g. 5 eine weitere Abwandlung.

Auf einem Gebäude 10 geeigneter Konstruktion und Ausgestaltung ist in geeigneter Weise eine Röhre 12 errichtet und über Streben oder Seile 14 zum Erdboden hin abgespannt. Die Seile oder Streben können an einem besonderen Stützring 16 bzw. 18 angreifen, die die Röhre umgeben. Die Röhre selbst ist in einem Drehkranz 20 drehbar um ihre Längsachse gelagert und besitzt im Bereiche ihres unteren Endes eine seitliche Eintrittsöffnung 22 für den in Richtung der Pfeile 24 strömenden Wind. In der Ebene der Eintrittsöffnung 22, die sich vorzugsweise kanalartig über die Oberfläche der Röhre 12, wie bei 26 gezeigt, hinauserstreckt, ist ein Windrad 28 in geeigneter Weise angeordnet, dessen Achse in einem strömungsgünstig geformten Körper 30 gelagert ist, der in geeigneter Weise zentrisch zur Lufteintriusöffnung 22 aufgehängt ist. Die Ableitung des Drehmoments des Windrades 28 ist nicht weiter ausgeführt. Sie kann elektrisch oder mechanisch erfolgen und sich nach den jeweiligen Umständen und nach den Dimensionen der Kraftanlage richten. Im Bereiche der Eintrittsöffnung 22 bzw. des Leitkanals 26, der ausführlicher in Fig.2 dargestellt ist, hier jedoch eine andere Querschnittsform besitzt, können Rotoren 32 angeordnet sein, die der Windregulierung dienen. Hinter dem Windrad 28 sind Leitbleche 34 in der Röhre angeordnet, die den Luftstrom in Richtung der Pfeile 36 umlenken. Die Luft strömt dann in den ejektorartigen Aufsatz 38, der seinerseits wieder in einem Drehkranz 40 auf der Röhre 12 einstellbar verdrehbar gelagert isi und wird durch ein weiteres Leitblech 42 umgelenkt. Die Düse, die von einem quer zur Röhre liegender Leitungsteil 44 gebildet wird, erzeugt in Richtung dei Pfeile 46 eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, so daf. im Bereiche 48 etwa ein Druckabfall sich einstellt, so dal eine Verstärkung des Luftstromes durch die Röhre l: und damit eine Erhöhung der an den Flügeln de Windrades 28 wirkenden Kraft eintritt.

Die Röhre 12 hat eine solche Länge, daß etwa eim Windgeschwindigkeit im Bereiche des ejektorartigei Aufsatzes 38 von 7,25 m/sec. vorhanden ist. Dies ist etw in einer Höhe von 120 m der Fall. Der in der vertikalei Röhre, der einem Windkanal entspricht, auftretend Sog ist sogar bei Windstille so groß, daß ein Luftzug vo außen auf das Windrad einwirkt und ein Drehmomen

erzeugt.

In F i g. 2 ist eine etwas abgewandelte Ausgestaltung dargestellt. Dabei liegt das Windrad 28 im Bereiche der Röhre 12, so daß seine Achse mit der Achse der Röhre zusammenfällt. Der Wind strömt in Richtung des Pfeiles 50 in die seitliche Eintrittsöffnung 22' ein und wird durch das Leitblech 34 sowie einen Strömungskörper 52 auf die Flügel des Windrades 12 gelenkt. Der Strömungskörper 52 dient zur Teilung des Luftstromes, während der in Strömungsrichtung nachgeordnete Strömungskörper 54 den Luftstrom wieder zusammenführt. Auch hier ist die Röhre 12 in dem Drehkranz 20 drehbar auf dem Gebäude 10 angeordnet. Die Verstrebungen und sonstige Bauelemente sind der Übersicht halber weggelassen.

Eine weitere Ausgestaltung einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Erfindung ist in F i g. 3 gezeigt. Sie unterscheidet sich von der in F i g. \ gezeigten im wesentlichen dadurch, daß im Bereiche der Röhre 12 eine Wendel 56 auf einer Achse 58 befestigt ist, die zur weiteren kraftverstärkenden Ausnutzung des Luftstromes durch die Röhre 12 dient. Die Achse 58 führt in das Gebäude 10 hinein und gibt dort ihr Drehmoment ab. Das Windrad 28 leitet sein Drehmoment über seine Welle 60 ab.

Die Ausgestaltung nach F i g. 4 stellt im wesentlichen eine Kombination der Wendel 56 nach F i g. 3 mit dem Windrad 28 nach F i g. 2 dar. Durch das auf der Achse 58 befestigte Zahnrad 62 soll die Ableitung des Drehmoments auf mechanischem Wege veranschaulicht werden. Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß in dem ejektorartigen Aufsalz eine Leitfläche 64 vorhanden ist, die in den F i g. 1 und 3 erkennbar ist, die zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereiche 44 und damit zum Druckabfall der Röhre 12 dient.

In F i g. 5 ist eine weitere Abwandlung der Erfindung dargestellt. Auch hier ist der ejektorarlige Aufsatz 38 vorhanden, jedoch ist die Veränderbarkeit der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich 44 durch zwei einstellbare Klappen 66 erzielbar, so daß veränderlichen Windverhältnissen entsprochen werden kann. Der Aufsatz ist wieder über einen Drehkranz 40 einstellbar, aber die untere Eintrittsöffnung 22 liegt weiter zur Mitte der Röhre 12 hin verschoben und auf einem Drehkranz 68 und ist mit einem Mantelringrohr 70 versehen, welches die Röhre 12 umgibt. In dem Mantelring 72 strömt die Luft die zentrische Röhre 12 umgebend nach unten und treibt dort ein Windrad 74 an. Sie wird dann

, durch die gekrümmte, zur Mitte der Röhre hinführende Fläche 76 umgelenkt, um nach oben durch den Aufsatz 38 wieder hina.uszuströmen. Bei dieser Ausgestaltung kann, wie der Doppelpfeil 78 andeutet, die mittlere Röhre 12 auf- und abgefahren werden oder die gesamte

. Anlage auf- und abgefahren werden, und zwar zwischen dem Flurniveau 80 und dem Drehkranz 68. In der Eintrittsöffnung 22 ist ein Rotor 82 angeordnet, der durch besondere Windräder angetrieben wird und zur Umlenkung der einströmenden Luft dient.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Großwindkraftanlage, bei der das Windrad in einer in einem horizontalen Drehkranz gelagerten Röhre, deren Eintrittsöffnung entsprechend der Windrichtung einstellbar ist, angeordnet ist, d a durch gekennzeichnet, daß die sich bis ii. eine Höhe im Bereich von 100 m über dem Erdboden lotrecht erstreckende Röhre (12) neben einer unteren Hauptlufteintrittsöffnung (22) in einem am oberen Ende angeordneten ejektorai 'igen Aufsatz (38) eine zweite Lufteintrittsöffnung (46) aufweist, und daß beide Lufteintrittsöffnungen unabhängig voneinander einstellbar sind.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der ejeiaorartige Aufsatz (38) am oberen Ende der Röhre (12) ein horizontales Rohrleitungsstück (44) trägt und insgesamt drehbar ausgestaltet ist.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Windeintrittsöffnung (22) und der obere ejektorartige Aufsatz (38) mit feststehenden (34, 42, 64) oder veränderlichen (66) Windleitflächen ausgestattet sind.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windeintrittsöffnung kanalartig (22') in Richtung gegen den Wind verlängert ist.

5. Windkraftanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung vor dem Windrad (28) ein den Windstrom teilender Körper (30) angeordnet ist, der den Wind zu den Flügelenden des Windrades (28) lenkt.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Windrad (28) hinter der Eintrittsöffnung (22) innerhalb der Röhre (12) angeordnet ist und in Strömungsrichtung hinter dem Windrad ein den Windstrom vereinigender Körper (54) angeordnet ist.

7. Windkraftanlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereiche der Eintrittsöffnung (22) Rotoren (32) angeordnet sind, die durch besondere Windräder angetrieben sind.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Röhre (12) eine eine streifenförmige Wendel tragende Achse (!58) gelagert ist, die die hindurchströmende Luft in Umdrehungen versetzt und deren Drehmoment mechanisch abgeleitet ist.

9. Windkraftanlage nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Eintrittsöffnung (22) in den mittleren Bereich der Röhre (12) verlegt ist und über einen die Röhre (12) umgebenden Mantelring (72) mit dem unteren Ende der Röhre (12) in Verbindung steht, wobei der Ring (72) durch ein Mantelringrohr (70) gebildet ist, das die Röhre (12) umgibt und dessen die Eintrittsöffnung (22) enthüllendes Teil drehbar um die Röhre (12) ausgebildet ist.

10. Windkraftanlage nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Windräder in diesem Mantelringraum bei (74) angeordnet sind.

11. Windkraftanlage nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mäiiieiringroiii 6s (70) zur Röhre (12) teleskopartig verschiebbar ist oder die gesamte Windkraftanlage zum Niveau (80) höhenveränderlich ist.

Die Erfindung betrifft eine Großwindkraftanlage, be der das Windrad in einer in einem horizontaler Drehkranz gelagerten Röhre, deren Eintrittsöffnuni entsprechend der Windrichtung einstellbar ist, angeord net ist.

Windkraftanlagen bzw. Windmotoren sind an siel· schon recht alt. Zu den ältesten Windmotoren gehör die Windmühle, bei der der Wind gegen vier bis sech· jalousieartige Fiügel bläst. Windmotoren oder Wind kraftanlagen dieser Art können jedoch nur einer geringen Wirkungsgrad haben, weil sich das Windrac relativ dicht über dem Boden befindet.

Ferner sind bekannt sogenannte Windräder odei Windturbinen, die aus einer Folge schrägstehendei Windschaufeln bestehen, deren Achse durch eine Windfahne ständig gegen den Wind gedreht wird. Sie dienen insbesondere zum Antrieb von Pumpwerken ir der Landwirtschaft und in küstennahen Gebieten odei von Stromerzeugern. Obgleich bei diesen Windräderr der Wirkungsgrad besser ist als bei den Windmühlen, se sind sie doch zur Erzeugung großer Leistungen nichi geeignet.

Eine bessere Leistung erhoffte man sich durch die Konstruktion sogenannter Ventimotoren, bei dener Propellerflügel und Bremsklappen zum Regeln dei Umlaufzahl bei störender Steigerung des Winddrucke; verwendet, werden.

Die Errichtung von Großwindkraftwerken für die Stromversorgung ist schon früh betrieben worden insbesondere durch H. H ο η η e f, der Windkraftwerke mit Bauhöhen von 200 bis 400 m vorschlägt, weil ir solchen Höhen die Luftströmung gleichmäßiger ist als ir der Nähe des Bodens. Der Nachteil dieser Einrichtun gen ist jedoch der, daß diese sehr hohen Masten mit der am Kopf des Mastes befindlichen eigentlichen propellergetriebenen Kraftwerken außerordentlich hohe Bausummen verschlingen.

Windkraft^nlagen für kleinere Leistungen sind an siel· aus der GB-PS 3 47 024 und der FR-PS 5 39 09S bekannt. Bei der Anlage nach der GB-PS ist zwar ir einem Turm in etwa 20 m Höhe über dem Erdboden eir Windrad angeordnet. Dieses soll die im Turm infolge von Temperaturunterschieden aufsteigende Luft beschleunigen. Ein Hinweis auf eine Windkraftanlage mil zwei Lufteintrittöffnungen ist aus der GB-PS nicht zi entnehmen.

Aus der Zeitschrift »Energie«, 1933, S. 235 bis 236, unc der DT-PS 6 05 673 sind zwar schon Windkraftanlager mit einer zusätzlichen Ejektordüse bekannt. Diese befindet sich aber zusammen mit dem Windrad in derr oberen, schwenkbaren und einstellbaren Aufsatz.

Aus der GB-PS 3 47 024 sowie den US-Patentschrif ten 14 64 070 und 18 02 893 sind senkrechte Kamine hinter Lufträdern bekannt, wobei aber diese Kamine selbst den Luftzug erzeugen, der die Lufträder treibt Die Gehäuse der Lufträder sind ortsfest angeordnet unc nicht drehbar.

Aus der FR-PS 5 39 099 ist ein Luftmotor bekannt der zwei axial hintereinander angeordnete Ejektorer besitzt, die aber senkrecht angeordnet sind und nicht är Windrichtung verdreht werden können.

Aus der Veröffentlichung »Windkraftwerke«, Wit te, 1950, S. 55 und 56, geht nur hervor, daß eine da; Windrad umgebende Düse nicht von Vorteil ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Großwindkraftan lage zu schaffen, die keine Bauhöhen wesentlich übe 100 m erfordert und dennoch einen hohen Wirkungs grad besitzt.