DE8806761U1

DE8806761U1 - Vorrichtung zum Auffangen von Wind in großen Höhen zur Stromerzeugung

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Publication number: DE8806761U1
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Authority: DE
Original assignee: HO YU SAN HONGKONG HK
Current assignee: HO YU SAN HONGKONG HK
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-05-24
Publication date: 1989-08-03
Also published as: CN2035001U

Description

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Yu San Ho 4161. GH-DE

Vorrichtung zum Auffangen von Wind in großen Hohen zur Stromerzeugung

Beschreibung Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung

zum Auffangen von Wind in großen Hohen zur Stromerzeugung; die so erhaltene Windenergie kann auch zum Antreiben verschiedener Haschinen genutzt werden.

]/{/ Wind ist eine natürliche Erscheinung auf der Erdoberfläche. Die jährliche Gesamtwindenergie in der Oberflächenschicht über der Erde beträgt ca. 1,3 &khgr; 10 MW, wobei der nutzbare Anteil bei 1 &khgr; 10 MW liegt, was etwa dem Zehnfachen der gesamten auf der Erde verfügbaren Hydroenergie entspricht. Z. B. hat China gewaltige Windenergie-Ressourcen, die auf insgesamt 1,6 &khgr; 10 MW geschätzt werden. Da Windenergie unerschöpflich ist, wird sie seit langem als Antriebskraft für Generatoren und verschiedene Arbeitsmaschinen, &zgr;. &Bgr;. l'ür Bewässerungsanlagen und Kornmühlen etc., genützt. Mit fortschreitender Zivilisation und Technologie ist das Gebiet der Windenergie zur Stromerzeugung erheblich weiter· entwickelt worden, und es sind beträchtliche wirtschaftliche Effekte erzielt worden.

Die meisten die Windenergie nützenden Verfeueren sind jedoch von der primitiven Windmühle abgeleitet. Windbetriebene Stromerzeugeranlagen auf der ganzen Welt sind Windmühlen, die auf Türmen mit einer Hohe von einigen Metern bis zu einigen dutzend Metern in Gebieten mit natürlichem Windvorkommen errichtet sind, wobei die Rotorflügel eine Länge zwischen einigen Metern und mehr als 12 m aufweisen und die effektive Betriebs-Windgeschwindigkeit 3-20 m/s und die Abschalt-Windgeschwindigkeit 28-30 m/s beträgt. Bei diesen windbetriebenen Stromerzeugeranlagen stellen sich folgende schwerwiegenden Nachteile ein:

1. Wind mit Geschwindigkeiten von weniger als 3 m/s und mehr als 30 m/s kann zum Betrieb nicht genützt werden, was zu Betriebsunterbrechungen führt.

2. Es besteht die Gefahr des Auftretens von Rissen in den Rotorflügeln aufgrund von Stoßbelastungen unterschiedlicher Größenordnungen, die über die große Flügellänge einwirken.

3. Windbetriebene Stromerzeugeranlagen müssen auf sehr

hohen Türmen installiert werden, was zu Schwierigkeiten bei der Montage und der Unterhaltung führt.

Seit einigen Jahren sind daher die meisten Entwicklungen voE windbetriebenon Stromerzeugern auf die Nutzung von Bodenwind gerichtet, und die Nutzung der vorhandenen Winde in größeren Höhen wurde aufgegeben, wie z. B. aus den CN-GM 86 201 78SU mit der Bezeichnung "Wind Passage Of A Wind-Operated Electric Generator" hervorgeht. Dort besteht der Windkanal aus einem vertikalen Windkanalturm und 16 Windauffangwandungen, und die Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der "Thermik"; dabei ist der Windkanalturm auf beiden Oberflachen schwarz gestrichen, und d±e Oberfläche der Windauffangwand ist mit einer Beschichtung versehen, die einen hohen Absorptionsgrad für Sonnenenergie hat. Die US-PS 4 406 579 beschreibt ebenfalls einen windbetriebenen

Strome!.'Ksuger, der die Bodenwinde nützt und eine sehr lange Luftattömungsbahn aufweist/ deren Außenfläche geschwärzt ist/ um die Wärmeabsorption des Sonnenlichts zu verbessern und die darin befindliche Luft zu erwärmen/ was zur Bildung des thermischen Effekts führt/ daß der Bodenwind nach oben gezogen und am Windeinlaß ein Luftstrom gebildet wird. Der Luftstrom treibt das am Einlaß angeordnete Rad an/ wodurch der damit koaxiale Generator Ober die Radachse angetrieben und Windenergie in mechanische und dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Der wesentliche Nachteil dieser Art von Stromerzeugung aus Windkraft besteht darin/ daß es nicht möglich ist, die vorhandenen Winde in größeren Höhen zu nützen.

Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist iomit die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Auffangen von Wind in größeren Höhen zur Stromerzeugung unter Mutzung des in größeren Höhen vorhandenen Winds, wodurch die Betriebsbedingungen des Stromerzeugers verbessert und die Standzeit der Anlage verlängert werden, was zu einer Reihe von Vorteilen wie geringen Anforderungen an Fertigungstoleranzen, unproblematischer Montage, einfacher Unterhaltung fuhrt/ wodurch die Herstellungs- und Unterhaltungskosten wesentlich gesenkt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Auffangen von Wind mit

unterschiedlichen Geschwindigkeiten in größeren Höhen durch eine oder mehrere Windauffangöffnungen, die in einen Windeinlaß munden, wobei der so aufgefangene Wind auf natürgg liehe Weise durch den konvergenten Windkanal beschleunigt wird und eine Arbeitsgeschwindigkeit am Windaustritt nahe dem Erdboden erreicht, die zur Stromerzeugung oder zum Antrieb anderer Haschinen benötigt wird.

gg Das Konzept der Neuerung basiert auf der Bernoullischen Gleichung, gemäß welcher die kinetische Energie, d. h. die Windenergiestärke von kontinuierlich strömenden Wind in einem natürlichen Windfeld wie folgt ausgedrückt wird:

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W =

mit W ■ Windenergie,
P = Luftdichte,

V = Windgeschwindigkeit und
A = Querschnittsfläche.

Die Querschnittsfläche des Windeinlasses des Windkanals sei A₁ und die dort herrschende »yindgesohwinuiykeit ".j uie Querschnittsfläche des Windauslasses sei A₂ und die dort herrschende Windgeschwindigkeit V₂; dann ist die den Querschnitt des Windeinlasses des Windkanals pro Zeiteinheit durchsetzende Windenergie W₁ = -^Ph.V? , und die den Querschnitt des Windauslasses des Windkanals pro Zeiteinheit durchsetzende Windenergie ist W₀ = ttPA-V., .

Der konvergente Windkanal wird als idealer Windkanal angenommen, in dem die Windenergieverluste vernachlässigbar klein sind. Dann gilt gemäß dem Gesetz von der Erhaltung der Energie:

= w₂

so daß

^A1 ^V2
-&tgr;— = rf-

Aus der Gleichung (2) ist ersichtlich, daß die Windgeschwindigkeit im größeren Querschnittsbereich niedriger und im kleineren Querschnittsbereich hoher ist. Selbstverständlieh ist die Dimension Aj entsprechend der Kapazität des Generatoraggregats ausgelegt, die Dimension A- ist entsprechend der Auslegungs-Windgeschwindigkeit des windbetriebenen Turbogenerators bestimmt, und die Länge des Windkanals ist entsprechend der optimalen Beschleunigungsrate gewählt.

Aufgrund der aerodynamischen Theorie der Stromungslehre ist das IsSngsprofil des Hindkanals als Hyperbel ausgelegt.

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wobei die Windenergieverluste minimal sind, und der Windkanal hat einen Verstärkungsfaktor von 4-5. Beim praktischen Einsatz können als das Profil des Windkanals auch Gerade öder andere quasi-hyperbolische Kurven verwendet werden.

Bei dem Verfahren gemäß der Neuerung wird Wind in Hohen von 12m bis zu einigen dutzend Metern über dem Erdboden aufgefangen im Gegensatz zu dem konventionellen Verfahren, bei

liehen Windfeld installiert wird; der wesentliche Vorteil dabei ist die "große Hohe", in der die Windstärke nicht, wie im Fall des Bodenwinds, durch Reibung geschwächt wird. Die Neuerung kann allerdings auch auf dem Erdboden angewandt werden, wenn der Oberflächenluftstrom häufig auftritt. In diesem Fall sollte ein horizontaler oder ein schräger Windkanal verwendet werden.

Zur Anpassung an Wind aus wechselnden Richtungen können einzelne oder Mehrfach-Windauffangoffnungen verwendet werden. Ein Windkanal mit einer drehbaren einzelnen Windauffangöffnung wird bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform verwendet, während bei einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform ein Windkanal mit einer Mehrzahl Windauffangoffnungen verwendet wird.

Im Fall von starkem Wind kann eine Windauffangöffnung mit änderbarem Durchmesser vorgesehen sein, um den eintretenden Wind zu drosseln, so daß verhindert wird, daß die Arbeitswindgeschwindigkeit am Windauslaß den zulässigen Höchstwert übersteigt; es können auch Ablenkbleche oder Entlastungsoffnungen oder andere Verzogerungs- oder Widerstandsmittel im Windkanal vorgesehen sein.

Am Windaustritt des Windkanals kann ein windbetriebener Generator vom horizontalen, vom vertikalen oder vom Mehrstufentyp installiert sein? so &a8 eine komplette windbetriebene Stromerzeugeranlage erhalten wird.

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7\nhand der Zeichnung wird die Ueuerung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine sche.Tiatische Darstellung der Stromerzeugung gemäß der Neuerung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Windkanal von Fig. 1; Un u

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen "Windkanal mit drehbarer Uindauffangöffnung.

I?ig. 1 zeigt schernatisch die Stromerzeugung gemäß der ileuerung. Ein Luftstrom mit einer Geschwindigkeit Vj_- strömt durch die Uindauffangöffnung 5 des vJindfängers 5a und mündet in den Windeinlaß 7 des vJindkanals 1. Der Luftstrom erreicht die benötigte Arbeitsgeschwindigkeit am Kindauslaß 8 infolge der Beschleunigung ira konvergenten Windkanal 1, so daß der als v;indbetriebencs Stromerzeugeraggregat ausgebildete Lnergiev;andler 2 vom horizontalen, vertikalen oder Hehrstufenty? von gerichteten v:ind noch besser angetrieben v;eräen kenn.

Fig. 2 zeigt die Bauelemente des V.indkanals 1. Für die t.'indauffangöffnung 5 des iiindk^nals kann ein einzelner Windfänger 5a (wie gezeigt), können aber auch mehrere Uindfanger vorgesehen sein, die mit dem Windkanal 1 am V/'indeinlaß 7 in Verbindung stehen. In vielen Fällen ist die t7inaauffangöffnung 5 gleichzeitig der ivindeinlaß, d. h. der Kind v/ird direkt durch den Kindeinlaß 7 aufgefangen. Der Durchmesser des Kindkanals 1 nimmt in Längsrichtung und in Richtung des strömenden Windes insbesonder von oben nach unten ab, d. h. der Windkanal 1 ist ¹OnVe -gexiu. Der Längsschnitt des i7indkanals 1 hat insbesondere eine hyperbolische Konfiguration, die zur leichteren Fertigung aber auch

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angenähert als eine Gerade oder Quasi-Hyperbel erzeugt: werden kann. Der Energieumwandler 2 kann gemäß Flg. 2 auch jedenfalls mit seinem durch den Wind angetriebenen Teil in einem sich unten an den Windauslaß 8 anschließenden Rohr, dem Windaustrittsteil 9, angeordnet sein.

Die Innenfläche des Windkanals 1 ist glatt, um den Stromungswiderstand zu vermindern. Die Außenfläche ist mit Wärmedämmstoff beschichtet, um die Ausbildung eines "Thermikeffekts" durch die Absorption von Solarenergie zu vermeiden, der bei einer anderen bekannten Konstruktion nach der US-PS 450 973 ausnutzbar ist. Der Windkanal 1 ist am Windauslaß 8 mit dem rohrförmigen Windaustrittsteil 9 verbunden, dessen Länge nach den Erfordernissen bestimmt ist.

Fig. 3 zeigt einen Windkanal 1 mit einem drehbaren Windfänger 5a. Dieser ist mit dem Windeinlaß 7 des Windkanals 1 über Kugellager 3 drehbar verbunden. Eine Windfahne 6 ist am Oberende des Windfängers 5a befestigt und hält die Windauffangöffnung 5 dadurch ständig dem Luftstrom zugewandt, daß jedenfalls die größten Teile der Windfahne 6 an der dem Wind abgewandten Seite des haubenförmigen Windfdngers 5a angeordnet sind.

Die Neuerung stellt einen Durchbruch gegenüber dem traditionellen Windauffangverfahren dar, weil insbesondere Wind durch den in großen Höhen in eine.-« natürlichen Windfeld angeordneten Windkanal aufgefangen und der so aufgefangene Wind im Windkanal auf natürliche Weise beschleunigt wird, so daß er den am Boden installierten Energievunformer, z.B. ein Stromerzeugeraggregat, antreibt, was zu vielen technischen Vorteilen führt. Das Windauffangverfahren gemäß der Neuerung stellt keine strengen Anforderungen an Betriebebereiche und Nennleistungen, so daß es in den verschiedensten Gegenden und auf verschiedenen Gebieten anwendbar ist. Außerdem sind die Herstellungskosten niedrig, und die Unterhaltung bzw. V/artung ist einfach. Dies sind sämtlich wesentliche Vorteile, die vor allem für Entwicklungsländer wichtig sind.

Claims

Goftafd D. Sctapfner Telefon: (089) 4706055/56 Telefax: (0)88-472883 &Rgr;&ogr;&bgr;*&kgr;&Lgr;8&Ogr;1369 D-aooOMünchenSO ItewtaWrweni 6 88 06 761.0 Ya San Ho 4161.2 GM-DB HJM/Ka ANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Auffangen von Wind in großen Höhen zur Energieerzeugung bzw. Energieumwandlung mit Hilfe eines die Windenergie in andere Energie, z.B. elektrische Energie, umwandelnden Energiewandlers (2) mit mindestens einer Windauffangsoffnung (5) und einem im wesentlichen vertikalen Windkanal (1) mit einem der Windauffangöffnung (5) zugewandten oberen Windeinlaß (7) und einem dem Energiewandler (2) zugewandten unteren Windauslaß (8),
dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite des Windkanals (1) vom Windeinlaß (7) zum Windauelaß (8) abnimmt und die Konfiguration des Längsschnitts des Windkanals (1) innen im wesentlichen einer Hyperbel entspricht oder weitgehend einer solchen angenähert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Windkanals (1) mit Wärmedämmstoff beschichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

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dadurch gekennzeichnet, dafi der Energiewandler (2) unterhalb des Windauslasses (8) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler (2) innerhalb eines an den WindausIaB (8) anschließenden Windaustrittsteils (9) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Durchlaßquerschnitte des Windeinlasses (7) und/oder Windauslasses (8) und/oder Windaustrittsteile (9) verstellbar si&d.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daourch gekennzeichnet, daß die ffinrlauffangöffnung (5) drehbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Windauffangöffnung (5) mit einer Windfahne (6) an der dem Wind abgewandten Seite versehen ist.