DE4443011A1

DE4443011A1 - Verfahren und Einrichtung zur Windkraftnutzung

Info

Publication number: DE4443011A1
Application number: DE4443011A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Wimmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1996-06-05

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nutzung der Wind kraft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Einrich tung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Aus der US-PS 40 36 916 ist bekannt, den Unterdruck, der durch ei nen über einen Kühlturm streifenden Wind in diesem erzeugt wird, zur Energiegewinnung auszunutzen. Dieser Effekt ist jedoch so ge ring, daß eine riesige Querschnittsfläche und/oder zusätzlich die durch die Abwärme entstehende Konvektion für den Betrieb benötigt wird.

In der US-PS 40 18 543 wird eine Whirlwind-Anlage beschrieben, die diesen Effekt gleichermaßen nutzt. Da dieser Effekt hier eher in noch geringerem Maße auftritt, wird für den Betrieb der Anlage eine Windsammelvorrichtung mit dem mehrfachen Durchmesser des vom Wind überstrichenen Zylinders notwendig.

Die DE-OS 31 28 936 A1 schlägt zur Verstärkung des Sogs/Drucks to roide Diffusoren/Deflektoren vor, die eine scherkraftfreie Ab-/Einleitung der Strömung gewährleisten sollen. Diese Vorrichtungen sind für eine Anlage mit zyklonischer Strömung vorgesehen, so daß durch die Öffnung zum Abzug der Strömung das Innere der Anlage den Unbilden der Witterung ausgesetzt ist.

Anzufügen bleibt, daß zyklonische Windkraftanlagen durch die Aus bildung eines Luftwirbels grundsätzlich Probleme bzgl. der Be triebsgeräusche und der Gefährdung von Luftfahrzeugen aufwerfen, insbesondere wenn man bedenkt, daß selbst die Wirbelschleppen re lativ kleiner Flugzeuge ebenso langlebig wie gefährlich sind.

In der DE-OS 30 09 844 wird vorgeschlagen, mittels eines in einem Kühlturm montierten Rotors das Innere des Kühlturms zur Erhöhung seiner Kühlleistung zu entlüften. Dieses Verfahren kann nur zur Entlüftung des Kühlturms verwendet werden, da ansonsten der ange strebte Zweck, die Verbesserung der Abwärmeabgabe, zunichte ge macht werden würde, und es andererseits unsinnig ist, zur Entlüf tung von anderen Bauwerken eigens einen Kühlturm, womöglich mit angeschlossenem Kraftwerk, zu errichten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung obiger Gattungen zur Ausnutzung der Windkraft anzugeben, die er möglichen, daß bei vernünftigen Abmessungen und unter Erzeugung einer im wesentlichen laminaren Strömung sowie bei gleichzeitigem Schutz vor Witterungseinflüssen, allein den durch einen Wind ver ursachten Unterdruck auszunutzen.

Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine gattungsgemäße Einrich tung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Aus der DE-PS 36 35 258 ist ein Magnetkraftsystem zur reibungsar men Lagerung von Lasten bekannt. Das System bezieht sich jedoch nur auf translatorische Bewegungen und auf hängende Lagerung.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines axialen, vertikal angeordneten reibungsarmen und praktisch wartungsfreien Magnetlagers.

Demgemäß ist beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich, daß der Wind über einen offenen Querschnitt einer vertikalen Mantelfläche strömt, dieser Querschnitt sich nach unten im wesentlichen stetig verjüngt, wodurch ein Konzentrationseffekt erzielt wird, daß sich am unteren offenen Querschnitt ein Rotor befindet, die durch die sen erzeugte Rotation in vorzugsweise elektrische Energie umgewan delt wird, und daß über dem oberen offenen Querschnitt eine zumin dest plankonvexe oder im wesentlichen konvexe Vorrichtung ange bracht ist, durch die die Strömungsgeschwindigkeit des Windes, der eine laminare Strömung innerhalb der Mantelfläche erzeugt, erhöht wird und die das Innere vor Witterungseinflüssen schützt.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschla gen, die angesaugte Luft aus einem Gebiet mit niedrigerer Windge schwindigkeit einzuleiten, um so einen höheren wirksamen Diffe renzluftdruck auszubilden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Sturmschutz durch in oder an der Mantelfläche angebrachte Luft klappen erreicht, die mechanisch und/oder automatisch bei hohen Windgeschwindigkeiten betätigt werden, wodurch eine Drosselung oder Sturmabschaltung erreicht wird. Im Gegensatz zu konventio nellen Windkraftanlagen, die bei 20 m/s abschalten müssen, ist so auch noch ein Betrieb bei höheren Windgeschwindigkeiton möglich.

Vorteilhaft ist auch, den Anstellwinkel der Rotorblätter automa tisch der die Mantelfläche durchströmenden Luftmenge anzupassen, um so die für den Anlauf notwendige Mindestwindgeschwindigkeit herabzusetzen und den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Von Vorteil ist des weiteren, dieses Verfahren zur Entlüftung von Bauwerken, z. B. Tunnel oder Fabrikhallen, einzusetzen, indem die Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird und im Bedarfsfall der Ro tor zusätzlich bzw. ausschließlich vom Generator angetrieben wird.

Die Aufgabe wird auch durch eine Einrichtung zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Demgemäß besteht die Einrichtung zur Windkraftnutzung aus einem feststehenden, vertikalen und sich nach unten stetig verjüngendem Rohr, in dessen unterem Ende sich ein Rotor befindet, wobei das Rohr mit gleichbleibendem oder sich stetig erweiterndem Quer schnitt bis zum Boden weitergeführt werden kann.

Zur Erhöhung der Sturmsicherheit wird eine mechanische oder elek tromechanische Drosselung des Luftdurchsatzes vorgeschlagen, die selbsttätig durch den Unterdruck der Luftströmung funktioniert und mittels Federkraft zurückgesetzt wird bzw. durch die Parameter Leistungsabgabe und/oder Rotordrehzahl geregelt wird.

Durch eine geschlossene flächige Abdeckung, die sich über dem obe rem Ende des Rohres befindet, wird das Innere der Einrichtung, insbesondere Rotor und Generator, vor Witterungseinflüssen ge schützt. Diese Abdeckung kann zusätzlich zu einer Befestigung durch am oberen Rand des Rohres angebrachte Stützstäbe mittig durch eine zentral angeordnete Stützstange abgestützt werden. Die Geschwindigkeit der Luftströmung kann durch eine plankonvexe bzw. -ellipoide oder konvexe bzw. ellipsoide Ausführung der Abdeckung wesentlich erhöht werden.

Vorteilhaft kann es auch sein, den Rotor als Turbine auszuführen, d. h. mit relativ kleinen Rotorblättern und einer mittigen luftun durchlässigen Verkleidung, die feststehend oder drehbar über die Höhe der Rotorblätter weitergeführt und an der Stützsäule gela gert oder befestigt sein kann. Der Wirkungsgrad kann weiterhin durch eine Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter verbessert werden, was durch zwischen den Rotorblättern und der Rotornabe an gebrachte Federn erfolgt, die bei Windstille die Rotorblätter in eine durch einen Anschlag vorgegebene Anfahrstellung ziehen und mit steigender Windgeschwindigkeit den Anstellwinkel bis zum Maxi malwert ändern, da die auf die Rotorblätter wirkende Kraft abhän gig von der Strömungsgeschwindigkeit ist.

Unter dem Aspekt der Betriebssicherheit ist es auch von Vorteil, je nach Ausführungsgröße im Rohr ober- und/oder unterhalb des Ro tors Schutzgitter zum Schutz von Kleintieren wie Vögel, Katzen, etc. oder Kindern bzw. Erwachsenen anzubringen. Speziell das obere Schutzgitter kann zur Erzeugung einer laminaren und möglichst wir belfreien Luftströmung als Gitterrost ausgebildet sein.

Um den zwischen dem oberen und unteren Rohrende herrschenden Dif ferenzdruck zu vergrößern, kann es vorteilhaft sein, zwischen den Lufteintrittsöffnungen Windleitbleche anzubringen, die ein direk tes Durchströmen des Windes unterhalb des Rotors verhindern.

Weiterhin ist es vorteilhaft, einen Generator im Rotor zu inte grieren. Dies kann durch eine Anbringung innerhalb der Rotornabe oder entlang des Rotorumfangs geschehen. Die letztere Variante er möglicht eine hohe Umfangsgeschwindigkeit der die elektromotori sche Kraft erzeugenden Dauermagnete, wodurch sich auch ohne Ge triebe ein hoher Wirkungsgrad erzielen läßt. Zudem können die ein zelnen Windungsanschlüsse herausgeführt und so auf einfache Weise entsprechend den jeweiligen Anforderungen zusammengeschaltet wer den.

Zur Verringerung der Reibungsverluste, insbesondere des Losbrech momentes sowie des Wartungsaufwandes wird ein axiales Magnetlager vorgeschlagen, das aus einer Aufhängung aus magnetisch leitfähigem Material besteht, an dem der oder die Magnete gemäß dem Stand der Technik hängend angeordnet sein können, wobei zwei oder mehr sol cher Anordnungen in jeweils gleichen Winkeln an der zu tragenden Achse befestigt sind.

Ein weiteres Achslager wird vorgeschlagen, indem auf einem magne tisch nicht leitfähigen Material, das als Unterbau fungiert, ein magnetisch leitfähiges Material angebracht ist und die Magnete entsprechend der ersten Ausführungsform an der hier schwebend auf gehängten Achse angeordnet sind.

Die Aufnahme axialer Kräfte kann dabei durch ein oder mehrere hän gende und/oder schwebende Magnetlager erfolgen, mit einem Gleitla ger zur Aufnahme radialer Kräfte bzw. Fixierung.

Die Mantelfläche kann vorteilhaft durch ein stoffartiges Material ausgebildet werden, das durch Stäbe versteift wird. Die Stäbe kön nen durch versetzte Anordnung der Anfangs- bzw. Endpunkte auf zwei übereinanderliegenden Kreisen das Gitternetz zweier mit ihren Spitzen aufeinanderstehenden Kegelstümpfe bilden, das mittels Kreisringen verschiedenen Durchmessers verstärkt wird.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Abdeckung als eventuell versteiften Hohlkörper auszubilden und als Wasserreservoir zu ver wenden, wobei die Zu- und Ableitung innerhalb der Stützsäule ge führt werden kann.

Da innerhalb der Mantelfläche eine, laminare Strömung ausgebildet wird, ergibt sich die Möglichkeit einer asymmetrischen oder unre gelmäßigen Querschnittgestaltung, wobei im Rotorbereich durch ent sprechende Abdichtung ein normaler Betrieb möglich ist.

Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfin dungsgemäße Einrichtung unter Bezug auf die Zeichnung näher erläu tert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung der Einrich tung in erster Ausführungsform,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Rotors,

Fig. 3 die schematische Ansicht eines Magnetlagers,

Fig. 4 eine Aufsicht auf Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Einrichtung in zweiter Ausführungsform,

Fig. 6 das Schema einer Drosselklappe, und

Fig. 7 eine Gitternetzkonstruktion.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Windkraftanlage 1 in erster Ausführungsform dargestellt, mit einem konvexen Windleitkörper 3, der sowohl bzgl. seiner Mittenachse, deren Verlängerung die ihn tragende Stützsäule 7 bildet, als auch zur Mittelnaht 2 symme trisch ist. Der Windleitkörper 3 wird auch durch die an der oberen Umkrampung 5 des Hüllblechs 17 angebrachten Stützstäbe 4 in seiner Position gehalten. Im oberen Teil des durch das Hüllblech 17 ein geschlossenen Gebietes befindet sich ein Gitterrost 6, der sowohl als Schutz als auch zur wirbelarmen Luftableitung dient. Im Be reich des kleinsten Querschnitt der Mantelfläche sind die Rotor blätter 11 angeordnet, die an der Nabe des Rotors 9 verdrehbar be festigt sind und dessen Nabe mit der unteren 12 und der oberen Ro torverkleidung 8 weitergeführt wird. Unterhalb des Rotors 9 befin det sich ein weiteres Schutzgitter 13. Am unteren Ende des Hüll blechs 17, an der eine untere Umkrampung 16 ausgebildet ist, die auf dem Boden 18 ruht und mit dieser zusätzlich verankert werden kann, befinden sich die Lufteintrittsöffnungen 15 und die Wind leitbleche 14, die ein direktes Durchströmen der Luft von Luftein trittsöffnung 15 zu Lufteintrittsöffnung 15 verhindern. Mittels der Spannseile 19 wird der Windleitkörper 3 zusätzlich gesichert.

Fig. 2 zeigt die automatische Verstellung eines Rotorblattes 11, das auf einer Achse 23, die mit einem Splint 22 gesichert ist, drehbar gelagert ist. Zwischen dem oberen Ende des Rotorblattes 11, an dem sich eine Befestigungsöse 21 befindet, und einer Halterung am Rotorsegment 27 ist eine Zugfeder 24 angebracht, die bei Windstille das Rotorblatt 11 in die durch den Anschlag 26 de finierte Anfahrstellung klappt.

Die schwebende axiale Lagerung mittels eines ringförmigen magneti schen Leiters 29, der auf einem als Unterbau dienenden Messingring 31 befestigt ist, zeigt Fig. 3. Die Anordnung der Pole der Magnete 28 kann in bekannter Weise gemäß dem Stand der Technik erfolgen.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit drei paarweise angeordneten Magne ten 28, die über einem magnetischen Leiter 29 schweben und mitei nander einen Winkel von je 120° einschließen.

Fig. 5 ist eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Windkraftanla ge 1 in zweiter Ausführungsform, mit einer flächigen Abdeckung 32, die an Stützstäben 4 und einer Stützsäule 7 befestigt ist. Das Hüllblech 17 bildet ein Rohr aus, das sich nach unten stetig line ar verjüngt und in dessen unterem Ende sich ein Rotor 9 befindet, der zur Erzeugung elektrischer Energie den Generator 33 antreibt, der durch seinen Standort am Boden 18 als Ballast dient. Das Hüll blech 17 wird von an seinem unteren Ende angebrachten Stützen ge tragen, die zur Vermeidung von Mißverständnissen nicht eingezeich net wurden.

In Fig. 6 wird eine automatische Drosselung des Luftdurchsatzes bzw. Sturmsicherung dargestellt. An einem Balken 36 ist eine Dros selklappe 34 mittels eines Scharniers 35 schwenkbar befestigt. Zwischen einer Befestigungsöse 21, die sich am oberen Rand der Drosselklappe 34 befindet, und einer Halterung 25 am Balken 36 ist eine Zugfeder 24 angebracht, die bei niedrigen Windgeschwindigkei ten die Drosselklappe 34 gegen den Balken 36 zieht. Bei Sturm re duziert sich der Luftdurchlaß bis auf ein durch den Abstandshalter 37 einstellbares Minimum. Ein gänzlicher Verschluß wird nicht an gestrebt, um ein Schlagen bzw. Flattern der Drosselklappe zu ver meiden.

Fig. 7 zeigt die Konstruktion eines Doppelkegelstumpfes 38 aus kreisförmig angeordneten windschiefen Stützstäben 4, die mittels mit diesen verbundenen Kreisringen 39 versteift werden, und der anschließend z. B. mit einer Stoffbahn umwickelt wird.
1 Windkraftanlage
2 Mittelnaht
3 Windleitkörper
4 Stützstab
5 obere Umkrampung
6 Gitterrost
7 Stützsäule
8 obere Rotorverkleidung
9 Rotor
10 -
11 Rotorblatt
12 untere Rotorverkleidung
13 Schutzgitter
14 Windleitblech
15 Lufteintrittsöffnung
16 untere Umkrampung
17 Hüllblech
18 Boden
19 Spannseil
20 -
21 Befestigungsöse
22 Splint
23 Achse
24 Zugfeder
25 Halterung
26 Anschlag
27 Rotorsegment
28 Magnet
29 magnetischer Leiter
30 -
31 Messingring
32 Abdeckung
33 Generator
34 Drosselklappe
35 Scharnier
36 Balken
37 Abstandshalter
38 Doppelkegelstumpf
39 Kreisring

Claims

1. Verfahren zur Windkraftnutzung, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wind über den offenen Querschnitt einer vertikalen, sich im wesentlichen stetig nach unten verjüngenden Mantelfläche strömt,
daß am unteren Ende der Mantelfläche durch eine oder mehrere Öff nungen Luft angesaugt wird,
daß die einströmende Luft zum Antrieb eines Rotors bzw. zur Ener giegewinnung verwendet wird,
daß im Inneren der Mantelfläche eine im wesentlichen laminare Strömung ausgebildet wird,
daß durch eine flächige Abdeckung, die oberhalb der oberen Öffnung angebracht ist, die Windgeschwindigkeit erhöht wird, und
daß zur Energiegewinnung ausschließlich der durch den Wind hervor gerufene Unterdruck verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft aus einem von der oberen Öffnung weiter entfernten Gebiet mit vorzugsweise niedrigerer Windgeschwindigkeit als in Ro tornähe in die Mantelfläche geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine selbsttätige mechanische oder elektronische Regelung der eingeleiteten Luftmenge in Abhängigkeit von der momentanen Windge schwindigkeit stattfindet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel der Rotorblätter sich selbsttätig der jewei ligen eingeleiteten Luftmenge anpaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeleitete Luftmenge gemessen und durch einen geregelten Antrieb des Rotors auf einem vorbestimmten Niveau gehalten wird.

6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Entlüftung von Bauwerken verwendet wird.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprü chen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß im unteren Ende eines vertikal aufgestellten Rohres ein Rotor angeordnet ist, und
daß sich das Rohr im wesentlichen stetig nach unten verjüngt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr bis zum Boden weitergeführt wird.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich am und/oder im Rohr vorzugsweise selbsttätige Vorrichtun gen zur Begrenzung der durchströmenden Luftmenge befinden.

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende des Rohres eine aus einer geschlossenen Fläche bestehende Abdeckung angeordnet ist.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Abdeckung mittig an einer Stützsäule befestigt ist.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Turbine ausgeführt ist.

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß unter- und oberhalb des Rotors an der Stützsäule befestigte Rotorverkleidungen angebracht sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung im wesentlichen plankonvex ausgeführt ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung im wesentlichen konvex ausgeführt ist.

16. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel der Rotorblätter verstellbar ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Federkraft die Rotorblätter in Anfahrstellung gebracht werden und ihr Anstellwinkel sich selbsttätig in Abhängigkeit von der durchströmenden Luftmenge bis zu einem Maximalwert ändert.

18. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Rohr unter- und/oder oberhalb des Rotors Schutzgitter ange bracht sind.

19. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgitter oberhalb des Rotors als Gitterrost ausgeführt ist.

20. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Rotors Windleitbleche befestigt sind.

21. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 20 dadurch gekennzeichnet, daß der Generator im Inneren des Rotors angeordnet ist.

22. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator am äußeren Umfang des Rotors ausgebildet ist.

23. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor teilweise oder ausschließlich auf einem oder mehre ren Magnetlagern gelagert ist.

24. Magnetlager nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß an einem ringförmigen magnetischen Leiter zwei oder mehrere Magneten mit ihrem jeweiligen Gegenstück an einer vertikalen, auf gehängten Achse in vorzugsweise gleichen Winkelabständen angeord net sind.

25. Magnetlager nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger magnetischer Leiter auf einer nichtmagneti schen Halterung befestigt ist und an diesem zwei oder mehrere Ma gnoten mit ihrem jeweiligen Gegenstück an einer vertikalen, schwe benden Achse in vorzugsweise gleichen Winkelabständen angeordnet sind.

26. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche durch eine mittels Stäbe versteiften Stoff bahn gebildet wird.

27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe das Gitternetz zweier aufeinanderstehender Kegel stümpfe ausbilden.

28. Einrichtung nach den Ansprüchen 10, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung als Hohlkörper ausgebildet ist.

29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung als Wasserspeicher ausgebildet ist.

30. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Mantelfläche eine beliebige Form aufweist.