DE3114577C2

DE3114577C2 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE3114577C2
Application number: DE3114577A
Authority: DE
Inventors: Johannes E. Dipl.-Ing. 5275 Bergneustadt Carjell
Original assignee: CARJELL BERND-MICHAEL 5275 BERGNEUSTADT DE; CARJELL JOHANNES E; CARJELL ROLF-DIETER; CARJELL UWE-CHRISTIAN
Current assignee: CARJELL BERND-MICHAEL 5275 BERGNEUSTADT DE; CARJELL JOHANNES E; CARJELL ROLF-DIETER; CARJELL UWE-CHRISTIAN
Priority date: 1981-04-10
Filing date: 1981-04-10
Publication date: 1984-09-13
Also published as: DE3114577A1

Abstract

Eine Windkraftanlage besteht 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. Um zu erreichen, daß die Windkraftanlage durch negative Umweltfaktoren soweit wie möglich unbeeinflußt bleibt und eine gute Stabilität der die Rotoren antreibenden Wirbel bei den sich ständig ändernden Windverhältnissen gewährleistet wird, ist der Anströmkörper (2) so gestaltet, daß die Luvseite oben liegt und die Rotoren (10) unter dem Anströmkörper (2) angeordnet sind. Vorzugsweise besteht der Anströmkörper (2) aus zwei gegeneinander geneigten Halbdeltaflügeln (6), deren gemeinsame Spitze (8) schräg nach unten gegen den Wind gerichtet ist.

Description

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.

Bei einer bekannten Windkraftanlage der genannten Art (US-PS 41 11 594) dient als Anströmkörper, der 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 dem Deltaflügel angeordnet und zu den Kernen der beiden Kantenwirbel ausgerichtet sind. Windkraftanlagen müssen unter verschiedensten atmosphärischen 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,

so beispielsweise durch Laub, Insekten, Treibsand und sonstige Luftverunreinigungen.

Ein weiterer Störfaktor besteht darin, daß der abströmende Wind ungleichmäßig ist und von Wirbeln unterschiedlicher Art durchsetzt 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Windkraftanlage der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß sie durch negative Umweltfakloren soweit wie möglich unbeeinflußt bleibt und eine gute Stabilität der den Rotor bzw. die Rotoren antreibenden Wirbel bei den sich ständig ändernden Windverhältnissen ge-

währleistet ist

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Luvseite des gegen den Wind angestellten Antrömkörpers oben liegt und daß der Rotor bzw. die Rotoren dementsprechend unter dem Anströmkörper angeordnet sind.

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.

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.

Der Anströmkörper läuft dabei zweckmäßig in Windrichtung spitz zu, wobei die durch den Dachfirst verlaufende vertikale Ebene die Symmetrieebene des An-Strömkörpers ist.

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 ;.nten 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.

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.

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.

Die Auskleidungsbleche können am Ende des Anströmkörpers in Düsen übergehen, in denen die Rotoren angeordnet sind. Dadurch wird noch eine weitere Energiekonzentration bewirkt.

An seinem in Strömungsrichtung hinten liegenden Ende kann der dachförmige Anströmkörper zwei pfeilförmig zur Mitte laufende, eingezogene Kanten aufwei- _>5 sen, 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.

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.

Darüber hinaus kann der Anströmkörper um eine vertikale Achse drehbar sein, damit er stets genau gegen den Wind eingestellt werden kann.

Um die Wirksamkeit der Windkraftanlage noch zu erhöhen, kann der Anströmkörper auf einer im Grundriß runden Bodenerhöhung aufgesteijt sein. Diese weist zweckmäßig in ihrem Umfangsbereich in Abständen angeordnete, etwa in radialer Richtung verlaufende vertikal? Windleitplanken auf, um den Wind in konzentrierter Form genau gegen den Anströmkörper zu führen.

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.

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.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Seitenansicht einer Ausführungsform einer Windkraftanlage,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine Draufsicht auf den Anströmkörper in Richtung des Pfeiles II aus Fig. 1,

F i g. 3 eine rückwärtige Ansicht des Anströmkörpers in Richtung des Pfeiles III aus F i g. 2 und

F i g. 4 ein Abtriebsschema für einen Rotor.

Nach der Zeichnung besteht die Windkraftanlage aus einem vertikalen, um eine vertikale Achse drehbaren Ständer 1, sowie einem Anströmkörper 2, der eben auf dem Ständer 1 um eine horizontale Achse 3 schwenkbar befestigt ist

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, steht der Ständer 1 auf einer im Grundriß runden Bodenerhöhung 4, durch die eine Konzentration der Windenergie im Bereich des Anströmkörpers erreicht wird. 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.

Der Anströmkörper 2 ist durch zwei gegeneinander geneigte Halbdeltaflügel 6 gebildet, die etwa im Winkel von 90° 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 auch 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.

Entsprechend der Anstellung des Anströmkörpers 2 gegen den Wind liegt die Luvseite des Anströmkörpers or""n, 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.

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 Wirbei 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.

Am hinteren Ende des Anströ.nkörpers 2 gehen die Auskleidungsbleche 12 in Düsen 15 über, in denen die Rotoren 10 angeordnet sind.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die beiden Rotoren 10 nicht mehr unmit- telbar 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.

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 Auskleidungsbleche 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.

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 F i g. 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. Paraliei zu der Niederdruckieitung 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. Auch in der Hochdruckleitung befindet sich ein Rückschlagventil 19 sowie ein Druckminderventil 20.

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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Windkraftanlage, bestehend aus einem flügelartigen, vom Wind anströmbaren Körper mit mindestens einer schräg gegen den Wind anstellbaren 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Luvseite des gegen den Wind angestellten Anströmkörpers (2) oben liegt und daß der Rotor (10) dementsprechend unter dem Anströmkörper (2) angeordnet ist

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anströmkörper (2) an seiner Oberseite einen dachartigen Aufbau aufweist

3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der dachartige Aufbau des Anströmkörpers (2) im Querschnitt die Form eines Satteldaches aufweist, wobei der Dachfirst (7) in einer parallel zur Windrichtung liegenden vertikalen Ebene verläuft, und daß beide Dachränder als scharfe Kanten (9) ausgebildet sind, denen je ein Rotor (10) zugeordnet ist.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anströmkörper (2) in Windrichtung spitz (8) zuläuft, wobei die durch den Dachfirst (7) verlaufende vertikale Ebene die Symmetrieebene des Anströmkörpers (2) ist.

5. Windkraftanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dei Anströmkörper (2) durch zwei gegeneinander geneigte Halbdeltaflügel (6) gebildet ist.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im hinteren Bereich des Anströmkörpers (2) an dessen Unterseite eine in seiner Symmetrieebene verlaufende Trennwand (11) vorgesehen ist.

7. Windkraflanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (11) durch zwei Auskleidungsbleche (12) gebildet ist, deren obere Abschnitte (14) den äußeren Wirbelbereich formschlüssig umgeben und sich bis zu den jeweiligen Anströmkanten (9) erstrecken.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidungsbleche (12) am hinteren Ende des Anströmkörpers (2) in Düsen (15) übergehen,indenendieRotoren(10)angeordnetsind.

9. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dachförmige Anströmkörper (2) an seinem in Strömungsrichtung hinten liegenden Ende zwei pfeilförmig zur Mitte verlaufende, eingezogene Kanten (16) aufweist.

10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anströmkörper (2) um eine horizonttle, quer zum Dachfirst (7) verlaufende Achse (3) schwenkbar ist.

11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstnömkörper (2) um eine vertikale Achse drehbar ist.

12. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anströmkörper (2) auf einer im Grundriß runden Bodenerhöhung (4) aufgestellt ist.

13. Windkraftanlage nach Anspruch 12, dadurch

gekennzeichnet daß die Bodenerhöhung (4) in ihrem Umfangsbereich in Abständen angeordnete, etwa in radialer Richtung verlaufende vertikale Windleitplanken (5) aufweist

14. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß den Rotoren (10) ein Energiespeicher (23) nachgeschaltet ist

15. Windkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß der Energiespeicher ein Kurzzeit-Energiespeicher ist

16. Windkraftanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (10) mindestens eine Hydraulikpumpe (17) antreiben, daß der Hydraulikpumpe (17) mindestens ein Hydraulikmotor (21) nachgeschaltet ist, daß als Energiespeicher ein Druckspeicher (23) vorgesehen ist und daß der Druckspeicher (23) an mindestens eine von der Pumpe' zum Motor führende Druckleitung (22) angeschlossen ist.