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Johannes E. Carjell
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Hans-Peter Carjell Rolf-Dieter CarJell Uwe-Christian CarJell Bernd-Michael
Caräell 5275 Bergneustadt 1 n Windkraftanlage Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage,
bestehend aus einem flügelartigen, vom Wind anströmbaren Körper mit mindestens einer
schräg gegen den Wind einstellbaren scharfen Kante, um die herum ein einen Wirbel
bildender Druckausgleich erfolgt, sowie mindestens einem in Strömungsrichtung hinter
der anströmbaren Kante angeordneten, zu Antriebszwecken dienenden Rotor, dessen
Achse im Bereich des Jeweiligen Wirbelkerns liegt.
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Bei einer bekannten Windkraftanlage der genannten Art (US-PS 4 111
594) dient als Anströmkörper, d die Windenergie konzentrieren soll, eine gegen den
Wind angestellte, deltaförmige Flügelkonstruktion, die mit ihrer Spitze schräg nach
oben gegen den Wind gerichtet ist, wobei an den beiden vorderen Kanten Wirbel erhöhter
Energiedichte erzeugt werden. Die Umsetzung dieser konzentrierten Windenergie in
eine Drehbewegung wird mit Hilfe von relativ kleinen Rotoren vorgenommen, die oben
auf den Deltaflügel angeordnet und zu den Kernen der beiden Kantenwirbel ausgerichtet
sind.
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Windkraftanlagen müssen unter verschiedensten atrnosphärischen Bedingungen
arbeiten. Der Anströmkörper sowie die Rotoren sind bei der bekannten Windkraftanlage
Regen, Hagel und Schnee ausgesetzt, und darüber hinaus kann der Betrieb der Rotoren
durch weitere Umwelteinflüsse negativ beeinflußt werden, beispielsweise durch Laub,
Insekten, Treibsand und sonstige Luftverunreinigungen.
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Ein weiterer Störfaktor besteht darin, daß der abströmende Wind ungleichmäßig
ist und von Wirbeln unterschiedlicher Art druchsetzt sein kann, so daß eine gegenseitige
Beeinflussung der an dem Anströmkörper entstehenden Wirbelschleppen und der im seitlich
vorbeiziehenden Wind vorhandenen Wirbel im Sinne einer wechselseitigen Induktion
erfolgt. Die bei der bekannten Windkraftanlage zum Antrieb der Rotoren dienenden
Kantenwirbel sind häufig sehr instabil und neigen dazu abzureißen, wodurch
der
Betrieb der Rotoren häufigen Störungen unterliegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Windkraftanlage der
eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß sie durch negative Umweltfaktoren
soweit wie möglich unbeeinflußt bleibt und eine gute Stabilität der den Rotor bzw.
die Rotoren antreibenden Wirbel bei den sich ständig ändernden Windverhältnissen
gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Luvseite
des gegen den Wind angestellten Anströmkörpers oben liegt und daß der Rotor bzw.
die Rotoren dementsprechend unter dem Anströmkörper angeordnet sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist also die aerodynamisch
besonders empfindliche Leeseite des Anströmkörpers nebst Rotoren dergestalt geschützt,
daß sie als Unterseite ausgebildet ist und die weniger empfindliche Luvseite die
Oberseite bildet.
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Vorzugsweise ist der Anströmkörper an seiner Oberseite mit einem dachartigen
Aufbau versehen, der zweckmäßig im Querschnitt: die Form eines Satteldaches aufweist,
dessen Dachfirst in einer parallel zur Windrichtung liegenden vertikalen Ebene verläuft,
wobei die beiden Dachränder als scharfe Kanten ausgebildet sind, denen Je ein Rotor
zugeordnet ist. Bei einer solchen Konstruktion ist gewährleistet, daß die Rotoren
weitestgehend
von Störeinflüssen abgeschirmt sind und daß sich
sehr stabile Kantenwirbel bilden, die einen guten Gleichlauf der Rotoren gewährleisten.
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Der Anströmkörper luft dabei zweckmäßig in Windrichtung spitz zu,
wobei die durch den Dachfirst verlaufende vertikale Ebene die Symmetrieebene des
Anströmkörpers ist.
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Eine konstruktiv besonders günstige Ausführungsform besteht darin,
daß der Anströmkörper durch zwei gegeneinander geneigte Halbdeltaflügel gebildet
ist. Bei dieser Konstruktion, die im Betriebszustand mit ihrer gegen den Wind gerichteten
Spitze schräg nach unten weist, sind die Rotoren sehr gut geschützt und zeigen bei
stabilen Wirbeln einen guten Gleichlauf. Die Anströmkanten können bei dieser Konstruktion
sehr stark gegen den Wind angestellt werden.
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Zumindest im hinteren Bereich des Anströmkörpers kann an dessen Unterseite
eine in seiner Symmetrieebene verlaufende Trennwand vorgesehen sein. Diese soll
bewirken, daß die beiden gegenläufigen Kantenwirbel zumindest kurz vor und im Bereich
der Rotoren getrennt sind, um einen Prozeß weiterer Energiekonzentration einzuleiten.
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Die Trennwand kann durch zwei Auskleidungsbleche gebildet sein, deren
obere Abschnitte den äußeren Wirbelbereich etwa formschlüssig umgeben und sich bis
zu der jeweiligen Anströmkante
erstrecken. Durch diese Konstruktion
kann die Wirbelführung und damit die Stabilität der Wirbel noch erheblich verbessert
werden.
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Die Auskleidungsbleche können am Ende des Anströmkörpers in Düsen
übergehen, in denen die Rotoren angeordnet sind. Dadurch wird noch eine weitere
Energiekonzentration bewirkt.
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An seinem in Strömungsrichtung hinten liegenden Ende kann der dachförmige
Anströmkörper zwei pfeilförmig zur Mitte laufende, eingezogene Kanten aufweisen,
die zu den Hauptkanten gegenläufig sind. Bei dieser Konstruktion ist es möglich,
die Hauptwirbel in einem Abstand hinter dem Anströmkörper, wenn sie die Rotoren
wieder verlassen haben, zu zerstören, so daß sie keinen Schaden mehr anrichten können.
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Vorzugsweise ist der Anströmkörper um eine horizontale, quer zum Dachfirst
verlaufende Achse schwenkbar. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Anlage auf
die Windstärke optimal einzustellen.
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Darüber hinaus kann der Anströmkörper um eine vertikale Achse drehbar
sein, damit er stets genau gegen den Wind eingestellt werden kann.
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Um die Wirksamkeit der Windkraftanlage noch zu erhöhen, kann der
Anströmkörper
auf einer im Grundriß runden Bodenerhöhung aufgestellt sein. Diese weist zweckmäßig
in ihrem Umfangsbereich in Abständen angeordnete, etwa in radialer Richtung verlaufende
vertikale Windleitplanken auf, um den Wind in konzentrierter Form genau gegen den
Anströmkörper zu führen.
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Trotz der erfindungsgemäßen vorteilhaften Konstruktion des Anströmkörpers
können kurzfristige Drehzahlschwankungen der Rotoren und damit einhergehende Leistungsschwankungen
nicht ausgeschaltet werden. Um dennoch eine gleichmäßige Energieabgabe zu erhalten
und insbesondere zu ermöglichen, elektrischen Strom in das Netz abgeben zu können,
kann den Rotoren ein Energiespeicher nachgeschaltet werden. Zweckmäßig ist dieser
als Kurzzeit-Energiespeicher ausgebildet.
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Ein besonders vorteilhafter Abtrieb ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Rotoren mindestens eine Hydraulikpumpe antreiben, daß der Hydraulikpumpe mindestens
ein Hydraulikmotor nachgeschaltet ist, daß als Energiespeicher ein Druckspeicher
vorgesehen ist und daß der Druckspeicher an mindestens eine von der Pumpe zum Motor
führende Druckleitung angeschlossen ist.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig.
1 die Seitenansicht einer Ausführungsform einer Windkraftanlage, Fig. 2 in vergrößertem
Maßstab eine Draufsicht auf den Anströmkörper in Richtung des Pfeiles II aus Fig.
1, Fig. 3 eine rückwärtige Ansicht des Anströmkörpers in Richtung des Pfeiles III
aus Fig. 2 und Fig. 4 ein Abtriebsschema für einen Rotor.
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Nach der Zeichnung besteht die Windkraftanlage aus einem vertikalen,
um eine vertikale Achse drehbaren Ständer 1, sowie einem Anströmkörper 2, der oben
auf dem Ständer 1 um eine horizontale Achse 3 schwenkbar befestigt ist.
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Wie aus Fig. 1 hervorgeht, steht der Ständer 1 auf einer im Grundriß
runden Bodenerhöhung 4, durch die eine Konzentration der Windenergie im Bereich
den Anströmkörpers erreicht wird.
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Rund um die Bodenerhöhung 4 sind in Abständen angeordnete, radial
ausgerichtete vertikale Windleitplanken 5 angeordnet, durch die verhindert wird,
daß der Wind nach den Seiten der Bodenerhöhung 4 abgelenkt wird.
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Der Anströmkörper 2 ist durch zwei gegeneinander geneigte Halbdeltaflügel
6 gebildet, die etwa im Windel von 900 aneinanderliegen und die Form eines Satteldaches
mit nach oben weisendem First 7 bilden. Die beiden Halbdeltaflügel 6 laufen nach
vorn zu einer Spitze 8 zu, die im Betrieb stets schräg nach unten gegen die Windrichtung
weist. Die seitlichen Kanten 9 sind im Betrieb sowohl mit einer Horizontalkomponente
als auci mit einer Vertikalkomponente gegen den Wind angestellt und erzeugen Je
einen Kantenwirbel. Die beiden Kantenwirbel treiben je einen jedem Halbdeltaflügel
6 zugeordneten Rotor 10 an.
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Entsprechend der Anstellung des Anströmkörpers 2 gegen den Wind liegt
die Luvseite des Anströmkörpers oben, so daß sich die Wirbel folglich hinter den
seitlichen, scharf ausgebildeten Kanten 9 auf der unterhalb des Anströmkörpers 2
liegenden Leeseite ausbilden. Zwangsläufig sind daher die Rotoren 10 unter dem Anströmkörper
2 angeordnet, wobei die Achsen der Rotoren zu den Wirbelkernen ausgerichtet sind.
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Im hinteren Bereich des Anströmkörpers 2 ist der Raum unter der Unterseite
des Anströmkörpers durch eine in der Symmetrieebene des Anströmkörpers verlaufende
vertikale Trennwand 11 unterteilt. Diese wird durch zwei Auskleidungsbleche 12 gebildet,
deren untere Abschnitte 13 auf beiden Seiten des Ständers 1 senkrecht nach unten
weisen, während sich die oberen
Abschnitte 14 bogenförmig bis zu
den seitlichen Anströmkanten 9 der beiden Halbdeltaflügel 6 erstrecken und dabei
den äußeren Bereich der entstehenden Wirbel etwa formschlüssig umgeben. Entsprechend
dem sich nach hinten verstärkenden Wirbel sind die Radien der die oberen Abschnitte
14 bildenden Auskleidungsbleche 12 im hinteren Teil des Anströmkörpers 2 größer
als im mittleren Teil.
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Am hinteren Ende des Anströmkörpers 2 gehen die Auskleidungsbleche
12 in DUsen 15 über, in denen die Rotoren 10 angeordnet sind.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel liegen
die beiden Rotoren 10 nicht mehr unmittelbar unter den beiden Halbdeltaflügeln 6,
sondern unter den Auskleidungsblechen 12, da dadurch der Konzentrationseffekt der
Auskleidungsbleche noch besser ausgenutzt werden kann. Für den Fall, daß keine oder
nur relativ kurze Auskleidungsbleche vorgesehen sind, müßten die Rotoren 10 selbstverständlich
unmittelbar unter den gegeneinander geneigten Halbdeltaflügeln 6 angeordnet sein.
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An seinem in Strömungsrichtung hinten liegenden Ende ist der dachförmige
Anströmkörper 2 mit zwei pfeilförmig zur Mitte verlaufenden, eingezogenen Kanten
16 versehen. Die jeweilige Kante 16 eines Halbdeltaflügels 6 erzeugt einen Wirbel,
der dem Wirbel der jeweiligen vorderen Kante 9 entgegengerichtet ist. Die an
den
Kanten 16 erzeugten Gegenwirbel sind durch die Auskleidungs bleche 12 sowie die
Düsen 15 zumindest im Bereich der Rotoren 10 von den jeweiligen Hauptwirbeln abgeschirmt,
jedoch überlagern sie die Hauptwirbel in einem Abstand hinter den Rotoren und tragen
somit zur raschen Auflösung der Hauptwirbel bei.
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Die beiden Rotoren 10 können zum Antrieb verschiedenster Aggregate
verwendet werden. Wenn sie zur Erzeugung elektrischer! Energie ausgenutzt werden
sollen, die in das Netz abgegeben wird, ist es erforderlich, daß die Energieabgabe
sehr gleichmäßig erfolgt. Dies kann entsprechend dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
dadurch erfolgen, daß jeder der beiden Rotoren 10 oder auch beide Rotoren 10 gemeinsam
eine Hydraulikpumpe 17 antreiben, die über eine Niederdruckleitung 18 mit zwischengeschaltetem
Rückschlagventil 19 und Druckminderventil 20 zu einem Hydraulikmotor 21 führt. Parallel
zu der Niederdruckleitung 18 verläuft eine Hochdruckleitung 22 von der Pumpe 17
zum Motor 21, die durch einen Druckspeicher 23 geführt ist bzw. an die ein Druckspeicher
angeschlossen ist.
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Auch in der Hochdruckleitung befindet sich ein Rückschlagventil 19
sowie ein Druckminderventil 20.
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Wenn der Rotor 10 überschüssige Leistung erzeugt, die im Moment nicht
an dem Motor 21 benötigt wird bzw. von diesem nicht umgesetzt werden kann, wird
der Druckspeicher 23 gespeist, aus welchem der Motor dann bei einem Leistungsabfall
an dem Rotor
10 zusätzlich gespeist werden kann. Der Motor 21 treibt
einen Generator 24 an, aus dem elektrische Energie an das Netz abgegeben wird.
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